WO2016183654A1 - System and method for identifying the characteristics of an electric machine - Google Patents

System and method for identifying the characteristics of an electric machine Download PDF

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WO2016183654A1
WO2016183654A1 PCT/BR2016/050106 BR2016050106W WO2016183654A1 WO 2016183654 A1 WO2016183654 A1 WO 2016183654A1 BR 2016050106 W BR2016050106 W BR 2016050106W WO 2016183654 A1 WO2016183654 A1 WO 2016183654A1
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WO
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electric machine
values
time derivative
machine
electromagnetic
Prior art date
Application number
PCT/BR2016/050106
Other languages
French (fr)
Portuguese (pt)
Inventor
Mauricio RIGONI
Nelson Jhoe Batistela
Nelson SADOWSKI
Leonardo Augusto FELER
Conrado Simões Pereira GAMEIRO
Helton Fernando Dos SANTOS
Ricardo De Araujo Elias
Patrick Kuo-Peng
João Pedro Assumpção BASTOS
Luciano Mendes De FREITAS
Original Assignee
Tractebel Energia S.A.
Universidade Federal De Santa Catarina
Itá Energética S.A.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of WO2016183654A1 publication Critical patent/WO2016183654A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/34Testing dynamo-electric machines
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/022Measuring gradient

Definitions

  • the present invention relates to a system and method for identifying established or incipient electrical and mechanical characteristics in electrical machines by analyzing disturbances in the external magnetic field measured with sensors using non-external external measuring tools. invasive.
  • patent document EP1418655 discloses an invasive method using a sensor called a flow probe which is inserted into the electrical machine installed on the generator stator to measure the magnetic field and variations of field values.
  • WO2013136098 discloses an invasive method for detecting damage in alternating rotary machines by differential magnetic field measurement using two measuring coils mounted on the stator teeth, ie within the machine housing.
  • US2009243647 discloses a method and system for identifying defects in an electrical machine based on magnetic field monitoring through sensors disposed outside the machine that evaluate the generated magnetic field. However, this document only mentions measuring the values of the magnetic field itself, to determine if the electric machine is missing and not other parameters related to the magnetic field.
  • WO2012097825 discloses a circuit and a method of detecting faults in a wind turbine.
  • the fault detection circuit comprises a magnetometer in the form of a Hall effect sensor coupled between a power converter and a power converter ground element and is configured to measure a ground current from the power converter to obtain a ground current; and a comparator configured to determine the presence of a fault based on the actual ground current.
  • a magnetometer in the form of a Hall effect sensor coupled between a power converter and a power converter ground element and is configured to measure a ground current from the power converter to obtain a ground current
  • a comparator configured to determine the presence of a fault based on the actual ground current.
  • a system for identifying characteristics of an electrical machine comprising at least one non-invasive meter and an analysis device, wherein the at least one meter identifies time derivative values of a quantity. generated by the electric machine and sends these time derivative values of the electromagnetic quantity to the analysis device, and the device interprets the time derivative values of the electromagnetic quantity identified by at least one noninvasive meter and determines at least one characteristic of the electric machine.
  • the time derivative values of electromagnetic magnitude include at least one component of the waveform frequency spectrum of one of the magnetic field external to the electric machine, the magnetic flux external to the electric machine, the magnetic induction external to the electric machine. and the grounding current of the electrical machine, where each meter measures at least one different component of the frequency spectrum of the electrical machine.
  • the analysis device compares the identified time derivative values of the electromagnetic quantity with pre-established time derivative values of this electromagnetic quantity and determines at least one characteristic of the electric machine based on the result of the comparison.
  • the time derivative values of the identified electromagnetic quantity correspond to the n-order temporal derivative of said electromagnetic quantity, where n ranges from 1 to infinity.
  • the at least one noninvasive meter is at least one of: a one-way, three-dimensional point meter, and each at least one noninvasive meter comprises at least one of: [0017] an analog sensor identifying the time derivative values of the electromagnetic quantity and
  • a sensor comprising a means of calculation, wherein the sensor measures scaling or vectorically the values of the electromagnetic magnitude, and the means of calculation applies derivative operators to the values measured by the sensor, and identifies the time derivative values of the electromagnetic magnitude.
  • Each at least one non-invasive meter is arranged in a position between a location in contact with the machine casing and a distance away from the electric machine of up to 20 times the diameter of the electric machine.
  • each at least one noninvasive meter is arranged in a position surrounding the grounding cable of the electrical machine.
  • the identified electrical machine characteristic is at least one of: non-standard machine operating diagnostic characteristics, lifetime, incipient fault onset characteristics, fault state, or machine operating characteristics.
  • the step of identifying the time derivative value of electromagnetic magnitude is performed by at least one noninvasive meter from:
  • a sensor comprising a means of calculation, wherein the sensor measures the values of the electromagnetic magnitude, and the means of calculation applies derivative operators to the values measured by the sensor, and numerically identifies the time derivative values of that electromagnetic magnitude.
  • each meter identifies a different component of the frequency spectrum of the electrical machine, or derivatives of the measured electrical quantities of that machine.
  • the at least one position external to the electric machine where the step of identifying the time derivative values of at least one electromagnetic quantity is performed is comprised between a location in contact with the machine housing and a distance away from the electric machine of maximum 20 times the diameter of the electric machine.
  • the step of identifying time derivative values of at least one electromagnetic quantity is performed around the grounding cable of the electrical machine at a location between the grounding cable surface and a distance of up to 20 times the diameter of the electrical cable. electric machine.
  • the step of comparing identified time derivative values of an electromagnetic quantity generated by the electric machine with the pre-established time derivative values of such an electromagnetic quantity further comprises the substeps of: [0033] - filtering the measured signal;
  • the method comprises a step of storing the identified time derivative values of the electromagnetic quantity generated by the electric machine for use as pre-established time derivative values of the electromagnetic quantity.
  • the preset time derivative values of the electromagnetic quantity correspond to the operating measurement values of the sound electric machine, operating history values of the electric machine or expected theoretical values.
  • the method may be carried out by the system of the invention, object of the present invention.
  • Figure 1 is a system diagram in a preferred embodiment of the invention whereby values, preferably of waveforms, of time derivative of an electromagnetic quantity generated by the electric machine are identified;
  • Figure 2 is a system diagram in another preferred embodiment whereby waveforms of the time derivative of the grounding current of the electrical machine are obtained.
  • FIG. 3 is a block diagram of the control means used in the method according to the invention.
  • Figure 4 - is a block diagram of the control steps performed in a preferred embodiment of the method according to invention.
  • Figure 5 is a block diagram of the control steps performed in another preferred embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 6 is an example of the electromagnetic signature identified by the system and method of the present invention of a synchronous generator operating at 60 Hz.
  • Figure 7 is a comparative example of electromagnetic signatures identified by the system and method of the present invention of two synchronous generators operating at 60 Hz.
  • Figure 8 is a comparative example of the electromagnetic signature of two 60 Hz synchronous generators obtained by the system and method according to one embodiment of the present invention, wherein the time derivative of an identified electromagnetic quantity is the derivative. of the electrical current of the grounding cable of the generators.
  • Figure 9 is an example of identifying the amplitude variation of subharmonic components as a function of the severity of a shorted field winding of a synchronous generator.
  • FIG. 1 a system diagram for identifying characteristics of an electrical machine in a preferred embodiment is shown, whereby values, preferably of waveforms, of time derivative of an electromagnetic quantity 50, 51, are identified. 52, 53, ... 5N generated by the electric machine 3, and to which the method for identifying characteristics of an electric machine 3 according to the invention may be applied.
  • Frequency spectrum components of the electrical machine comprise fundamentals, harmonics, subharmonics, and frequency interharmonics.
  • mechanical and electrical Electromagnetic quantities are identified and analyzed in dB.
  • the system of figure 1 comprises one or more non-invasive meters 1, 1 1, 12, ..., 1 N externally positioned electric machine 3 in at least one position 2, 22, ..., 2N in the direction with convenient orientation of the meters or sensors to the direction of the magnetic field.
  • This gauge position may vary between a location in contact with the machine housing and a distance away from the machine.
  • This position 2, 22, ..., 2N may vary radially with respect to machine 3 from a point abutting the machine housing to a distance 20 times the diameter of machine 3.
  • the electromagnetic quantities measured and evaluated by the meters or sensors of the system of the present invention are: the fundamental frequency, fundamental harmonic, subharmonic and interharmonic components of the magnetic field, magnetic flux, induction waveforms. and grounding current in the grounding cable, or the fundamental and components of the mechanical frequency related to the generator rotation.
  • the values used for the assessment and diagnosis of the operation of the electrical machine will therefore be the time derivative waveforms of these quantities and the frequency spectrum waveform components of the time derivatives of these quantities.
  • the meters can directly measure these derivative values or waveforms, or they can measure the harmonic, subharmonic, and interharmonic components in question and perform the processing. data to obtain the values of the derivatives of these components.
  • the 1, 1 1, ..., 1 N gauges may be unidirectional, three-dimensional, or spot depending on the type of sensor used.
  • the meter 1, 11, ..., 1 N is an analog sensor that directly identifies the values of the time derivative, for example of the first order, of an electromagnetic magnitude 50, 51, 52, 53. ..5N.
  • meter 1, 11, ..., 1 N comprises a sensor and calculation means.
  • the sensor measures the waveform, in scalar values or vector values of the electromagnetic quantity (1 D, 2D or 3D, by sensor association and by the very nature of the sensor), and the calculation means apply derivative operators to the measured values and perform data processing steps to identify the time derivative values of the electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N.
  • the time derivative values of the electromagnetic magnitude 50, 51, 52, 53, ... 5N are identified by an induction sensor, such as a search-coil voltage.
  • an induction sensor such as a search-coil voltage.
  • Other sensors such as magnetic field, magnetic flux or magnetic induction sensors, magnetic field / induction transducer elements, magnetic induction sensor, or air core, dielectric or ferromagnetic probe coil, among others , can be employed in the system meters.
  • the time derivative values of the electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N identified by meter (s) 1, 1 1, ..., 1 N correspond to to the n-order derivative of the external magnetic field generated by the electric machine 3.
  • the time-derivative values of the electro- 50, 51, 52, 53, ... 5N identified by meter (s) 1, 1 1, ..., 1 N may correspond to the n-order temporal derivative of the evaluated electromagnetic quantity, for example of the flux or magnetic induction generated by the electric machine 3 and measured externally to it.
  • the value of n (order of the derivative) is from 1 to infinity for these cases, preferably being 1.
  • each meter 1, 1 1, ..., 1 N with respect to the machine is identified as a function of distance in any radial orientation with respect to the opposite end of the housing of the and specifically the stator housing, as shown in the horizontal axis below the machine shown in Figure 1.
  • These meters may be located at a position at a distance from electrical machine 3 that varies from a point in contact with the machine housing up to a radial distance of 30 times the diameter of the electric machine.
  • Each electric machine has an electromagnetic signature, which varies mainly due to the different types of machines, the different specifications, the different construction nature, the possible incipient failures, the state of life or the mode of operation of these machines. machines.
  • electromagnetic signature is to be understood within the scope of this invention as the frequency spectrum of the time derivatives of the 50, 51, 52, 53, ... 5N waveforms identified by at least one meter 1, 1 1, .. ., 1 N. Examples of electromagnetic signatures can be seen in figures 6 to 9.
  • the electromagnetic signature of the electric machine 3 comprises one or more of the sub-synchronous, harmonic and interharmonic components of the electric fundamental frequency, including the null frequency component. These frequencies are also related to the frequency mechanical fundamental, that is, the mechanical fundamental and its harmonics.
  • the electromagnetic signature varies compared to the sound machine signature.
  • the present invention can identify this variation in the electromagnetic signature of machine 3 and relate this variation to a characteristic of the altered electric machine. The characteristic of the electric machine will be better described later.
  • the system utilizes one or more of the meters 1, 1 1, ..., 1 N which identify the time derivative values of the electromagnetic quantity. , 51, 52, 53, ... 5N generated by the electric machine 3. After being identified, either directly by the meter sensor or by means of calculations coupled to the sensor, the time derivative values of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N are sent to the analysis device 4. In a preferred embodiment, the use of only one sensor may be sufficient to achieve the analysis objectives 4.
  • Analyzer 4 interprets the time derivative values of an electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) generated by the machine, and / or of frequency spectrum components of waveforms. time derivative wave of these quantities to determine the characteristics of the electric machine 3.
  • the analysis device 4 treats and processes the values or waveform of the time derivative of the electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N generated by the electrical machine 3 and / or of waveform frequency spectrum components of the time derivatives of these quantities, through filters 41 and instrumentation amplifiers 42. Shortly thereafter, the signal goes through an anti-aliasing filter 43 to avoid spectral overlay problems. Then the signal is sent to a sampler circuit 44 so that the signal is sampled and discretized.
  • This sampler circuit 44 may be an analog / digital converter.
  • a computational medium 45 such as a computer with a suitable processor and software, reads the signal from the sampler circuit 44, and compares this signal with the pre-set time derivative values of that machine-generated electromagnetic quantity. 3.
  • the computational medium 45 reads the signal from the sampler circuit 44, makes the frequency spectral decomposition of the signal, generating the magnetic signature, and compares that signature and / or values of spectrum components. frequency values with various corresponding frequency component values of the time derivative values of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N external to machine 3, obtained previously or pre-established.
  • the predefined time derivative values of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N generated by the electric machine 3 and / or the waveform frequency spectrum components of the time derivatives of these quantities will be further described. forward.
  • the computational medium 45 reads the amplitude values of the sub-synchronous, harmonic and interharmonic components of the electromagnetic magnitude of the signal generated by the sampler circuit 44 and compares them to the amplitude values of the pre-values. -established time derivatives of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N generated by the electric machine 3.
  • the computational medium 45 is able to identify the characteristics of the electric machine 3 and make them available. for viewing on the analysis device 4 through a display, or by another way of displaying analysis results, such as, for example, a listing of values.
  • the computing medium 45 makes the data available to a supervisory system 6 whether or not included in the analyzing device 4.
  • the analyzing device 4 ensures the proper signal-to-noise ratio necessary for the efficient acquisition of information for the computing medium 45 and for the supervisory system 6.
  • the supervisory system 6 reads the information transmitted to it and, depending on the characteristic of the electrical machine determined, if it is a fault characteristic of the electrical machine, triggers an alarm, which may be preferably audible or visual, or in report form. , or by another warning mode, advising a user of the fault characteristic of the electric machine.
  • an alarm which may be preferably audible or visual, or in report form. , or by another warning mode, advising a user of the fault characteristic of the electric machine.
  • the preset time derivative values of an electromagnetic quantity generated by the electric machine 3 can be obtained by a first measurement when the machine is in healthy condition, in order to obtain reference values. For example, when the machine is healthy, this measurement can be performed at a frequency of time that can be daily, weekly, monthly or yearly, or as per the needs / specifications of the user / expert.
  • the preset values of time derivative of an electromagnetic quantity generated by electric machine 3 can also be obtained through a history of stored values while the machine is healthy.
  • the predefined time derivative values of an electromagnetic quantity generated by the electric machine 3 may also consist of expected theoretical values, which may be previously calculated or estimated in simulators.
  • the characteristics of electric machine 3 are usually Diagnostic characteristics of non-standard machine operation, life time, incipient fault initiation characteristics (faults), or machine operating characteristics.
  • the onset characteristics of incipient failures generally faults in the electrical machine, do not at first impair its operation, but alter the electromagnetic field generated by the machine 3. These faults, if not identified, and extinguished lead to electrical machine to a fault. Accordingly, in a preferred embodiment of the invention, the supervisory system 6 shuts down the electric machine 3 if the characteristic is a fault characteristic.
  • the operating or operating diagnostics characteristics may be, among others, a fault condition, a fault condition, a normal operating condition, the life of the machine, among others.
  • the fault condition of the electric machine 3 can be, among others, a damper winding malfunction, field winding short circuits, bus faults, voltage unbalance, phase unbalance, loop short circuits, short circuits.
  • phase-to-circuit open coils, open electrical circuits, eccentricities, mechanical vibration, iron shift, external short circuits, loss of power to machine parts, excitation problems, mechanical bearing or mechanical balance problems, loss of insulation, short circuit in magnetic cores, other problems in stator and rotor magnetic cores, leakage currents, improperly induced currents, undervoltage, overvoltage, presence of harmonics in the supply, overheating, influences of electrical or mechanical load, among others.
  • the frequency spectrum of the external magnetic field or magnetic induction, or magnetic flux
  • the system and method of the invention also monitor high frequency components up to the order of magnitude ten thousand times the frequency of the electric fundamental.
  • FIG 2 a system diagram according to another preferred embodiment is shown, wherein the time derivative of an electromagnetic quantity 501 generated by the electric machine 3 is the time derivative of the grounding current of the electric machine.
  • the method for identifying characteristics of an electric machine 3 according to the invention is also applied.
  • the system of figure 2 comprises at least one non-invasive meter 101 positioned externally to the electric machine 3 in at least one position 201 with a convenient orientation.
  • the meters may be unidirectional, three-dimensional or point depending on the type of sensor used.
  • a Rogowisky coil is used as a meter, which naturally provides the waveform values proportional to the first order derivative of the grounding current of the electric machine 3.
  • the position 201 shown on the ordinate axis below the electrical machine of figure 2 corresponds to the distance of meter 101 from the grounding cable of machine 3.
  • the meter 101 may be located at a distance that may vary radially from the machine 3 or its grounding cable. This distance ranges from a position against the machine frame or grounding cable surface to a position located at a distance of 20 times the diameter of the machine 3.
  • this meter 101 is disposed around the grounding cable of the electric machine 3.
  • electric machine 3 has an electromagnetic signature corresponding to the grounding cable current.
  • the time derivatives of the grounding wire current derivatives and / or the frequency derivative waveform components of the time derivatives of that current are analyzed.
  • Different electrical machines or states of the same electrical machine comprise electromagnetic signatures of the grounding current and its distinct time derivatives.
  • the electromagnetic signature in the embodiment of FIG. 2 is the frequency spectrum of the time derivatives of the grounding current 501 of the electrical machine 3 identified by meter 101.
  • the electrical machine grounding cable current signature 3 is comprised of the sub-synchronous, harmonic, and interharmonic components of the fundamental electric frequency, including the zero frequency component, or the frequency component. harmonics of the mechanical fundamental frequency, including the fundamental of mechanical rotation.
  • the electromagnetic signature of the current and its time derivative values from the machine grounding cable 3 suffers a Amendment
  • the system according to this embodiment can identify this change in the electromagnetic signature of machine 3 and relate this change to a characteristic of the electric machine.
  • At least one meter 101 identifies the values relating to the time derivative of the grounding current of the electrical machine 3.
  • These values 501 may be values derived from order n, such that n may range from 1 to infinity, and is preferably 1.
  • These values 501 are obtained analogously by meter 101. Once obtained, the time derivative values of the electromagnetic quantity 501 are sent to the analysis device 4 which will perform the same signal treatment and identification characteristics of the electrical machine. 3 described for the embodiment of the invention of FIG. 1 and then will provide the identified features for display on an analysis device display 4, or for another form of analysis result presentation, such as, for example, a listing of values, or will make the data available to a supervisory system 6 included or not in the analysis device 4.
  • step 1000 the time derivative values of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N, 501 generated by the electric machine 3 in at least one position 2, 22, ..., 2N are identified. , 201 external to the electric machine 3.
  • This step 1000 can be performed by means of a meter 1, 1 1, ..., 1 N, 101 that measures the scalar or vector values of the electromagnetic quantity50, 51, 52, 53 , ... 5N, 501.
  • derivative operators may be applied, for example, to scalar or vector values, or data processing steps may be performed to identify the values of the temporal derivative of the quantity. 50, 51, 52, 53, ... 5N measured and / or of frequency spectrum waveform components of the time derivatives of these quantities.
  • step 1001 the comparison 1001 of the identified values of the time derivative of the electromagnetic quantity 50 is performed, 51, 52, 53, ... 5N, 501 generated by the electrical machine 3 and / or of the time derivative waveform frequency spectrum components of these quantities with the pre-established time derivative values and components of their time spectrum. frequency of that electromagnetic quantity generated by the electric machine 3.
  • step 1002 at least one characteristic of electric machine 3 is determined 1002 based on the result of the comparison.
  • FIG. 4 a block diagram of the steps of the method according to the invention is shown in a preferred embodiment, wherein the step of comparing 1001 the identified values of the time derivative of the electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53 , ... 5N, 501 generated by the electric machine 3 with the preset values of the time derivative of that electromagnetic quantity further comprises the substeps of:
  • substep 1003 the signal sent by meter (s) 1, 11, ..., 1 N, 101 is filtered through the filters 41 in the analysis device 4 of the system according to the invention.
  • the filtered signal is then sent to be amplified at substep 1004 through instrumentation amplifiers 42, then at substep 1005 to pass an anti-aliasing filter 43.
  • the analyzer 4 discretizes the signal through the sampler circuit 44, and finally a computational medium 45 reads the discretized signal and compares it to the pre-established values of the temporal derivative of that large one. 50, 51, 52, 53, ... 5N generated by the electric machine 3. In this way, the comparison step 1001 is completed, and then step 1002 of determining at least one characteristic of the electric machine 3 can be performed. .
  • FIG. 5 a block diagram of the steps of the method according to the invention is shown in another embodiment of the invention, wherein, upon determination 1002 of at least one feature of the electric machine 3, the collected data is 1007 to be used as preset values of time derivative of that electromagnetic quantity generated by machine 3. These data stored as preset values are used to obtain a first electromagnetic signature of the electric machine 3. These stored values can also be used to constitute a history of operation of the electric machine 3 comprising various values identified with a given time interval.
  • Fig. 6 is shown a frequency spectrum from the first order time derivative of the electromagnetic magnitude values.
  • the electromagnetic magnitude is the magnetic field external to the machine 3.
  • Three meters are used, one fixed to the outer wall and the other to the inner wall of the housing compartment of a generator of a hydroelectric plant and the third meter to the accessible face of the machine's stator housing.
  • the meters are identified as: meter 1 (housing external face), meter 2 (housing internal face) and meter 3 (stator housing face).
  • the electric machine 3 corresponding to this frequency spectrum is a synchronous generator operating at 60Hz without fault. Note the presence of subharmonics (frequency components smaller than the 60Hz electrical fundamental frequency) and interharmonics (distinctive frequencies).
  • the mechanical fundamental frequency is 2Hz, the other components being their natural multiples.
  • FIG 7 a comparative example of the magnetic signatures of the spectra of two generators is shown.
  • the evaluated generators A and B have the same construction design, so that a similar spectral pattern was found between them.
  • the small amplitude differences observed for some components may indicate particularities of each equipment.
  • the sensors were positioned at the same point in relation to each generator's statistic package, which worked under the same operating condition.
  • Figure 8 shows a comparative example of the electromagnetic signature of two synchronous generators operating at 60 Hz, showing the spectral analysis of the first order time derivative values of the generators grounding cable current (neutral current) as electrical quantity. These currents show the presence of some of the subharmonic frequency components. Moreover, comparing, for example, the spectrum of these currents for generators A and B of Figure 7, it is noted that this quantity has its own signature for each electric machine.
  • Figure 9 shows an example of identifying the amplitude variation of the subharmonic components as a function of the severity of the short circuit type field winding of an eight-pole synchronous generator operating at 60Hz.
  • the 15 Hz frequency component is the fundamental mechanic.
  • the amplitude values in dBV of the subharmonic components of the first order derivative of the external magnetic field relative to the electrical fundamental frequency measured by a system meter according to the invention, initially the machine, are shown. is short-circuited, and subsequently with a progressive increase in the number of turns shorted.
  • the system and method can identify by measuring the time derivative values of an electromagnetic quantity. , 51, 52, 53, ... 5N, 501 generated by electric machine 3 in the frequency domain, at least one characteristic of electric machine 3.
  • the system and method for identifying features of an electric machine therefore non-invasively perform the identification of time derivative values of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, .. .5N, 501 and / or time derivative waveform frequency spectrum components of this magnitude generated by the electrical machine 3 in at least one position 2, 22, 2N, 201 which may vary radially with respect to machine 3 from abutting the machine casing to a distance 30 times the diameter of machine 3, to then compare the identified values of the time derivative of the machine. electromagnetic quantity generated by electric machine 3 with the pre-established time derivative values of that same electromagnetic quantity. Then, in the analysis device 4 at least one characteristic of the electric machine 3 is determined based on the result of the comparison.
  • All steps of the method for identifying characteristics of an electrical machine described herein may be performed by means of the system for identifying characteristics of an electrical machine described herein.

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Abstract

The present invention provides a system and method for identifying the characteristics of an electric machine (3), comprising at least one non-invasive measuring device (1, 11, ..., 1N, 101) and one analysis device (4), wherein the at least one measuring device (1, 11, ..., 1N, 101) acquires at least one time derivative value with at least one frequency spectrum component of the waveform of an electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ..., 5N, 501) generated by the electric machine.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA E MÉTODO PARA IDENTIFICAR CARACTERÍSTICAS DE UMA MÁQUINA ELÉTRICA".  Report of the Invention Patent for "SYSTEM AND METHOD FOR IDENTIFYING CHARACTERISTICS OF AN ELECTRIC MACHINE".
[001 ] A presente invenção refere-se a um sistema e método para identificar características elétricas e mecânicas, estabelecidas ou incipientes, em máquinas elétricas por meio da análise de distúrbios no campo magnético externo à máquina, medidos com sensores utilizando ferramentas de medição externas não invasivas.  [001] The present invention relates to a system and method for identifying established or incipient electrical and mechanical characteristics in electrical machines by analyzing disturbances in the external magnetic field measured with sensors using non-external external measuring tools. invasive.
Descrição do Estado da Técnica Description of the prior art
[002] Máquinas elétricas são monitoradas por diversos tipos de sistemas a fim de identificar falhas, faltas, condição de operação e funcionamento, objetivando a manutenção de operacionalidade e de sua vida útil. Muitos sistemas de monitoramento só atuam quando a máquina já apresentou uma falha que inviabiliza sua operação. Estes sistemas, comum e obrigatoriamente utilizados, geralmente não são aptos para detectar falhas incipientes, principalmente aquelas que não provocam sua parada. Outros sistemas de monitoramento servem para detectar faltas incipientes, tais como vibração mecânica, deslocamento de entreferro, curtos-circuitos, entre outros. A maioria destes tipos de monitoramento utilizam sensores invasivos ou monitoram outras grandezas físicas diferentes do campo/indução magnética para detectar anomalias da máquina. Existem metodologias e sensores de campo magnético, ou sensores de indução magnética comerciais, ou para aplicação em estudos académicos, que monitoram campo ou indução magnética, detectando anomalias na máquina.  [002] Electrical machines are monitored by various types of systems to identify faults, faults, operating condition and operation, with a view to maintaining their operability and useful life. Many monitoring systems only operate when the machine has already had a fault that makes it impossible to operate. These commonly used systems are generally not able to detect incipient failures, especially those that do not cause them to stop. Other monitoring systems serve to detect incipient faults such as mechanical vibration, air gap displacement, short circuits, among others. Most of these types of monitoring use invasive sensors or monitor physical quantities other than magnetic field / induction to detect machine anomalies. There are methodologies and magnetic field sensors, or commercial magnetic induction sensors, or for application in academic studies, which monitor field or magnetic induction, detecting machine anomalies.
[003] No passado, se buscou soluções para problemas de instalação de geradores de alta potência, que tinham como principal defeito o sobreaquecimento devido a curtos-circuitos. Para solucionar tal problema, buscou-se detectar os curtos-circuitos entre espiras através da avaliação dos campos magnéticos no entreferro, entorno do núcleo e dos enrolamentos do estator, sempre através de sensores invasivos à máquina. A dificuldade veio em ter de desmontar a máquina elétrica para que o sensor pudesse ser inserido em algum ponto dentro da carcaça, como, por exemplo, no estator ou em algum dente ou alguma ranhura da máquina elétrica. Isso dificulta tanto a instalação como a substituição desses sensores, o que exige a parada completa do funcionamento da máquina, envolvendo grandes custos operacionais e investimentos. [003] In the past, solutions were sought for problems with the installation of high power generators, which had as their main defect the overheating due to short circuits. To solve this problem, we sought to detect the short circuits between turns by evaluating the magnetic fields in the air gap, around the core and stator windings, always through sensors invasive to the machine. The difficulty came in having to disassemble the electric machine so that the sensor could be inserted somewhere inside the housing, such as the stator or a tooth or slot in the electric machine. This makes it difficult to install and replace these sensors, which requires a complete shutdown of the machine, involving large operating costs and investments.
[004] A prática da análise do campo magnético associado para a detecção de faltas nos motores de indução como, por exemplo, relacionadas a barras rompidas e a curto-circuitos entre espiras do estator, começou a ser explorada pela facilidade tanto da implantação de um sensor externo em máquinas já instaladas quanto pelas características funcionais deste tipo de máquina elétrica (por causa da existência do fenómeno de escorregamento, de modo diferente das máquinas síncronas, em que os motores de indução se constituem em máquinas assíncronas, é mais fácil detectar faltas neste tipo de motor pela análise de campo magnético externo). Neste tipo de monitoração pelo campo externo, não há a necessidade de se desmontar a máquina elétrica para que um sensor seja inserido.  The practice of associated magnetic field analysis for fault detection in induction motors such as related to broken bars and stator turns short circuits has begun to be explored by the ease of both deploying a external sensor in machines already installed as for the functional characteristics of this type of electric machine (because of the slip phenomenon, unlike synchronous machines, where induction motors are asynchronous machines, it is easier to detect faults in this motor type by external magnetic field analysis). In this type of external field monitoring, there is no need to disassemble the electrical machine for a sensor to be inserted.
[005] Um exemplo de sensor invasivo do estado da técnica é conhecido do documento de patente EP1418655 que revela um método invasivo que utiliza um sensor chamado de sonda de fluxo, o qual fica inserido na máquina elétrica, instalado no estator do gerador, para medir o campo magnético e variações de valores do campo.  An example of a prior art invasive sensor is known from patent document EP1418655 which discloses an invasive method using a sensor called a flow probe which is inserted into the electrical machine installed on the generator stator to measure the magnetic field and variations of field values.
[006] Já o documento WO2013136098 revela um método invasivo para a detecção de danos em máquinas rotativas alternadas através de medição diferencial de campo magnético usando duas bobinas de medição instaladas nos dentes do estator, ou seja, dentro da carcaça da máquina. [007] O documento US2009243647 revela um método e um sistema que identificam defeitos em uma máquina elétrica com base em monitoramento de campos magnéticos através de sensores dispostos externamente à máquina que avaliam o campo magnético gerado. Entretanto esse documento menciona unicamente a medição de valores do próprio campo magnético em si, para determinar se há falta na máquina elétrica e não de outros parâmetros relacionados ao campo magnético. WO2013136098 discloses an invasive method for detecting damage in alternating rotary machines by differential magnetic field measurement using two measuring coils mounted on the stator teeth, ie within the machine housing. [007] US2009243647 discloses a method and system for identifying defects in an electrical machine based on magnetic field monitoring through sensors disposed outside the machine that evaluate the generated magnetic field. However, this document only mentions measuring the values of the magnetic field itself, to determine if the electric machine is missing and not other parameters related to the magnetic field.
[008] O documento WO2012097825 revela um circuito e um método de detecção de faltas em uma turbina eólica. O circuito de detecção de faltas compreende um magnetômetro sob a forma de um sensor de efeito Hall acoplado entre um conversor de energia e um elemento de solo do conversor de energia e é configurado para medir uma corrente de aterramento a partir do conversor de energia para obter uma corrente de aterramento; e um comparador configurado para determinar a presença de uma falta com base na real corrente de aterramento. Entretanto esse documento não menciona a medição de outros parâmetros relacionados à corrente de aterramento, ao invés da corrente de aterramento em si.  WO2012097825 discloses a circuit and a method of detecting faults in a wind turbine. The fault detection circuit comprises a magnetometer in the form of a Hall effect sensor coupled between a power converter and a power converter ground element and is configured to measure a ground current from the power converter to obtain a ground current; and a comparator configured to determine the presence of a fault based on the actual ground current. However, this document does not mention the measurement of other parameters related to the ground current, rather than the ground current itself.
Objetivos da invenção Objectives of the invention
[009] É objetivo da presente invenção proporcionar um método e sistema não-invasivos para detectar faltas, falhas de funcionamento e defeitos em máquinas elétricas.  It is an object of the present invention to provide a non-invasive method and system for detecting faults, malfunctions and defects in electrical machines.
[0010] É também objetivo da presente invenção identificar diferentes tipos de falta da máquina elétrica através de medições não invasivas.  It is also an object of the present invention to identify different types of electrical machine fault by non-invasive measurements.
[001 1 ] É ainda objetivo da presente invenção proporcionar um sistema mais simples de captação de sinais para a determinação da saúde da máquina elétrica.  It is a further object of the present invention to provide a simpler signal capture system for determining the health of the electric machine.
Breve descrição da invenção [0012] Os objetivos da invenção são alcançados por meio de um sistema para identificar características de uma máquina elétrica, compreendendo pelo menos um medidor não invasivo e um dispositivo de análise, em que o pelo menos um medidor identifica valores de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica e envia esses valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética para o dispositivo de análise, e o dispositivo de análise interpreta os valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética identificados por o pelo menos um medidor não invasivo e determina pelo menos uma característica da máquina elétrica. Brief Description of the Invention The objects of the invention are achieved by means of a system for identifying characteristics of an electrical machine, comprising at least one non-invasive meter and an analysis device, wherein the at least one meter identifies time derivative values of a quantity. generated by the electric machine and sends these time derivative values of the electromagnetic quantity to the analysis device, and the device interprets the time derivative values of the electromagnetic quantity identified by at least one noninvasive meter and determines at least one characteristic of the electric machine.
[0013] Os valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética incluem pelo menos um componente do espectro de frequência das formas de onda de um dentre o campo magnético externo à máquina elétrica, o fluxo magnético externo à máquina elétrica, a indução magnética externa à máquina elétrica e a corrente do cabo de aterra- mento da máquina elétrica, em que cada medidor mede pelo menos um componente diferente do espectro de frequência da máquina elétrica. The time derivative values of electromagnetic magnitude include at least one component of the waveform frequency spectrum of one of the magnetic field external to the electric machine, the magnetic flux external to the electric machine, the magnetic induction external to the electric machine. and the grounding current of the electrical machine, where each meter measures at least one different component of the frequency spectrum of the electrical machine.
[0014] O dispositivo de análise compara os valores identificados de derivada temporal da grandeza eletromagnética com valores preestabelecidos de derivada temporal dessa grandeza eletromagnética e determina pelo menos uma característica da máquina elétrica com base no resultado da comparação.  The analysis device compares the identified time derivative values of the electromagnetic quantity with pre-established time derivative values of this electromagnetic quantity and determines at least one characteristic of the electric machine based on the result of the comparison.
[0015] Os valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética identificada correspondem à derivada temporal de ordem n da referida grandeza eletromagnética, sendo que n varia de 1 a infinito.  The time derivative values of the identified electromagnetic quantity correspond to the n-order temporal derivative of said electromagnetic quantity, where n ranges from 1 to infinity.
[0016] Além disso, o pelo menos um medidor não invasivo é pelo menos um dentre: um medidor pontual, unidirecional e tridimensional e, em que cada pelo menos um medidor não invasivo compreende pelo menos um dentre: [0017] um sensor analógico de identificação dos valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética e In addition, the at least one noninvasive meter is at least one of: a one-way, three-dimensional point meter, and each at least one noninvasive meter comprises at least one of: [0017] an analog sensor identifying the time derivative values of the electromagnetic quantity and
[0018] um sensor compreendendo um meio de cálculo, sendo que o sensor mede escalar ou vetorialmente os valores da grandeza eletromagnética, e o meio de cálculo aplica operadores derivativos aos valores medidos pelo sensor, e identifica os valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética.  [0018] a sensor comprising a means of calculation, wherein the sensor measures scaling or vectorically the values of the electromagnetic magnitude, and the means of calculation applies derivative operators to the values measured by the sensor, and identifies the time derivative values of the electromagnetic magnitude.
[0019] Cada pelo menos um medidor não invasivo é disposto em uma posição compreendida entre uma localização em contato com a carcaça da máquina e uma distância afastada da máquina elétrica de no máximo 20 vezes o diâmetro da máquina elétrica.  Each at least one non-invasive meter is arranged in a position between a location in contact with the machine casing and a distance away from the electric machine of up to 20 times the diameter of the electric machine.
[0020] Alternativamente cada pelo menos um medidor não invasivo é disposto em uma posição envolvendo o cabo de aterramento da máquina elétrica. Alternatively each at least one noninvasive meter is arranged in a position surrounding the grounding cable of the electrical machine.
[0021 ] A característica de máquina elétrica identificada é pelo menos uma dentre: características de diagnóstico de operação da máquina fora do padrão normal, tempo de vida, características de início de falhas incipientes, estado de falha, ou características de funcionamento da máquina.  [0021] The identified electrical machine characteristic is at least one of: non-standard machine operating diagnostic characteristics, lifetime, incipient fault onset characteristics, fault state, or machine operating characteristics.
[0022] Os objetivos da invenção são ainda alcançados por um método para identificar características de uma máquina elétrica, em que o método compreende as seguintes etapas:  [0022] The objects of the invention are further achieved by a method for identifying features of an electric machine, wherein the method comprises the following steps:
[0023] - identificar valores de derivada temporal de pelo menos uma grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica em pelo menos uma posição externa à máquina elétrica;  - identify time derivative values of at least one electromagnetic quantity generated by the electric machine in at least one position external to the electric machine;
[0024] - comparar os valores identificados da derivada temporal da pelo menos uma grandeza eletromagnética com os valores preestabelecidos da derivada temporal dessa grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica; e - comparing the identified values of the time derivative of at least one electromagnetic quantity with the pre-established values of the time derivative of this electromagnetic quantity generated by the electric machine; and
[0025] - determinar pelo menos uma característica da máquina elétrica com base no resultado da comparação. [0025] - determine at least one machine feature based on the result of the comparison.
[0026] A etapa de identificar o valor da derivada temporal da grandeza eletromagnética é realizada por pelo menos um medidor não invasivo dentre: The step of identifying the time derivative value of electromagnetic magnitude is performed by at least one noninvasive meter from:
[0027] um sensor analógico de identificação de valores de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética e  [0027] an analog sensor for identifying time derivative values of an electromagnetic quantity and
[0028] um sensor compreendendo um meio de cálculo, sendo que o sensor mede os valores da grandeza eletromagnética, e o meio de cálculo aplica operadores derivativos aos valores medidos pelo sensor, e identifica numericamente os valores de derivada temporal dessa grandeza eletromagnética. [0028] a sensor comprising a means of calculation, wherein the sensor measures the values of the electromagnetic magnitude, and the means of calculation applies derivative operators to the values measured by the sensor, and numerically identifies the time derivative values of that electromagnetic magnitude.
[0029] Alternativamente cada medidor identifica um componente diferente do espectro de frequência da máquina elétrica, ou das derivadas das grandezas elétricas medidas dessa máquina.  Alternatively each meter identifies a different component of the frequency spectrum of the electrical machine, or derivatives of the measured electrical quantities of that machine.
[0030] A pelo menos uma posição externa à máquina elétrica onde é realizada a etapa de identificar os valores de derivada temporal de pelo menos uma grandeza eletromagnética está compreendida entre uma localização em contato com a carcaça da máquina e uma distância afastada da máquina elétrica de no máximo 20 vezes o diâmetro da máquina elétrica. The at least one position external to the electric machine where the step of identifying the time derivative values of at least one electromagnetic quantity is performed is comprised between a location in contact with the machine housing and a distance away from the electric machine of maximum 20 times the diameter of the electric machine.
[0031 ] A etapa de identificar valores de derivada temporal de pelo menos uma grandeza eletromagnética é realizada ao redor do cabo de aterramento da máquina elétrica em uma localização entre a superfície do cabo de aterramento e uma distância afastada de no máximo 20 vezes o diâmetro da máquina elétrica.  The step of identifying time derivative values of at least one electromagnetic quantity is performed around the grounding cable of the electrical machine at a location between the grounding cable surface and a distance of up to 20 times the diameter of the electrical cable. electric machine.
[0032] Além disso, a etapa de comparar valores identificados de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica com os valores pré-estabelecidos de derivada temporal dessa uma grandeza eletromagnética compreende adicionalmente as subetapas de: [0033] - filtrar o sinal medido; Furthermore, the step of comparing identified time derivative values of an electromagnetic quantity generated by the electric machine with the pre-established time derivative values of such an electromagnetic quantity further comprises the substeps of: [0033] - filtering the measured signal;
[0034] - amplificar o sinal;  [0034] - amplifying the signal;
[0035] - passar o sinal por um filtro anti-aliasing; e  Passing the signal through an anti-aliasing filter; and
[0036] - amostrar o sinal.  [0036] - sample the signal.
[0037] O método compreende, preferencialmente e adicionalmente uma etapa de armazenar os valores identificados de derivada temporal da grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica para serem utilizados como valores de derivada temporal pré-estabelecidos da grandeza eletromagnética.  Preferably and additionally the method comprises a step of storing the identified time derivative values of the electromagnetic quantity generated by the electric machine for use as pre-established time derivative values of the electromagnetic quantity.
[0038] Os valores pré-estabelecidos de derivada temporal da grandeza eletromagnética correspondem aos valores de medição de operação da máquina elétrica sadia, valores de histórico de operação da máquina elétrica ou valores teóricos esperados.  The preset time derivative values of the electromagnetic quantity correspond to the operating measurement values of the sound electric machine, operating history values of the electric machine or expected theoretical values.
[0039] O método pode ser realizado por o sistema da invenção, objeto da presente invenção.  The method may be carried out by the system of the invention, object of the present invention.
Descrição resumida do desenho  Brief Description of the Drawing
[0040] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita. As figuras mostram:  The present invention will be described in more detail below. The figures show:
[0041 ] Figura 1 - é um diagrama do sistema em uma modalidade preferida da invenção, por meio do qual são identificados valores, preferencialmente de formas de onda, de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica;  Figure 1 is a system diagram in a preferred embodiment of the invention whereby values, preferably of waveforms, of time derivative of an electromagnetic quantity generated by the electric machine are identified;
[0042] Figura 2 - é um diagrama do sistema em uma outra modalidade preferida, por meio da qual são obtidas formas de onda da derivada temporal da corrente do cabo de aterramento da máquina elétrica. Figure 2 is a system diagram in another preferred embodiment whereby waveforms of the time derivative of the grounding current of the electrical machine are obtained.
[0043] Figura 3 - é um diagrama de blocos dos meios de controle utilizados no método de acordo com a invenção.  [0043] Figure 3 is a block diagram of the control means used in the method according to the invention.
[0044] Figura 4 - é um diagrama de blocos das etapas de controle realizadas em uma modalidade preferida do método de acordo com a invenção. [0044] Figure 4 - is a block diagram of the control steps performed in a preferred embodiment of the method according to invention.
[0045] Figura 5 - é um diagrama de blocos das etapas de controle realizadas em uma outra modalidade preferida do método de acordo com a invenção.  [0045] Figure 5 is a block diagram of the control steps performed in another preferred embodiment of the method according to the invention.
[0046] Figura 6 - é um exemplo da assinatura eletromagnética identificada pelo sistema e método da presente invenção de um gerador síncrono operando em 60 Hz.  Figure 6 is an example of the electromagnetic signature identified by the system and method of the present invention of a synchronous generator operating at 60 Hz.
[0047] Figura 7 - é um exemplo comparativo de assinaturas ele- tromagnéticas identificadas pelo sistema e método da presente invenção de dois geradores síncronos operando em 60 Hz.  [0047] Figure 7 is a comparative example of electromagnetic signatures identified by the system and method of the present invention of two synchronous generators operating at 60 Hz.
[0048] Figura 8 - é um exemplo comparativo da assinatura eletromagnética de dois geradores síncronos operando em 60 Hz, obtidas pelo sistema e pelo método de acordo com uma modalidade da presente invenção, em que a derivada temporal de uma grandeza eletromagnética identificada é a derivada da corrente elétrica do cabo de aterramento dos geradores. Figure 8 is a comparative example of the electromagnetic signature of two 60 Hz synchronous generators obtained by the system and method according to one embodiment of the present invention, wherein the time derivative of an identified electromagnetic quantity is the derivative. of the electrical current of the grounding cable of the generators.
[0049] Figura 9 - é um exemplo de identificação da variação de amplitudes das componentes sub-harmônicas em função da severidade de uma falta de curto-circuito no enrolamento de campo de um gerador síncrono.  [0049] Figure 9 is an example of identifying the amplitude variation of subharmonic components as a function of the severity of a shorted field winding of a synchronous generator.
Descrição detalhada do desenho  Detailed Description of the Drawing
[0050] Na figura 1 , é mostrado um diagrama do sistema para identificar características de uma máquina elétrica em uma modalidade preferida, por meio do qual são identificados valores, preferencialmente de formas de onda, de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N externa gerada pela máquina elétrica 3, e ao qual pode ser aplicado o método para identificar características de uma máquina elétrica 3 de acordo com a invenção. Os componentes do espectro de frequência da máquina elétrica compreendem fundamental, harmónicas, sub-harmônicas e inter-harmônicas de fre- quência mecânica e elétrica. As grandezas eletromagnéticas são identificadas e analisadas em dB. In Figure 1, a system diagram for identifying characteristics of an electrical machine in a preferred embodiment is shown, whereby values, preferably of waveforms, of time derivative of an electromagnetic quantity 50, 51, are identified. 52, 53, ... 5N generated by the electric machine 3, and to which the method for identifying characteristics of an electric machine 3 according to the invention may be applied. Frequency spectrum components of the electrical machine comprise fundamentals, harmonics, subharmonics, and frequency interharmonics. mechanical and electrical Electromagnetic quantities are identified and analyzed in dB.
[0051 ] A estrutura e o funcionamento do sistema serão aqui descritos para facilitar a compreensão do mesmo, bem como do método de acordo com a invenção, ficando claro que a aplicação do método não está limitada ao sistema aqui descrito.  The structure and operation of the system will be described herein for ease of understanding as well as the method according to the invention, making it clear that the application of the method is not limited to the system described herein.
[0052] O sistema da figura 1 compreende um ou mais medidores não invasivos 1 , 1 1 , 12, ...,1 N posicionados externamente a máquina elétrica 3 em pelo menos uma posição 2, 22,..., 2N na direção radial, com orientação conveniente dos medidores ou sensores em relação à direção do campo magnético. Essa posição dos medidores pode variar entre uma localização em contato com a carcaça da máquina e uma distância afastada da máquina. Essa posição 2, 22,..., 2N pode variar radialmente em relação a máquina 3 a partir de um ponto encostado à carcaça da máquina até uma distância 20 vezes o diâmetro da máquina 3.  The system of figure 1 comprises one or more non-invasive meters 1, 1 1, 12, ..., 1 N externally positioned electric machine 3 in at least one position 2, 22, ..., 2N in the direction with convenient orientation of the meters or sensors to the direction of the magnetic field. This gauge position may vary between a location in contact with the machine housing and a distance away from the machine. This position 2, 22, ..., 2N may vary radially with respect to machine 3 from a point abutting the machine housing to a distance 20 times the diameter of machine 3.
[0053] As grandezas eletromagnéticas medidas e avaliadas pelos medidores ou sensores do sistema da presente invenção são: a frequência fundamental, componentes harmónicas da fundamental, sub- harmônicas e inter-harmônicas das formas de onda do campo magnético, do fluxo magnético, da indução magnética e da corrente de ater- ramento no cabo de aterramento, ou ainda a fundamental e componentes da frequência mecânica relacionada à rotação do gerador. Os valores usados para a avaliação e diagnóstico de funcionamento da máquina elétrica serão, portanto, as formas de onda das derivadas temporais dessas grandezas e componentes do espectro de frequência de formas de onda das derivadas temporais dessas grandezas. Os medidores podem medir diretamente esses valores ou formas de onda de derivada, ou então podem medir as componentes harmónicas, sub- harmônicas e inter-harmônicas em questão e realizar os processamen- tos de dados necessários para obter os valores das derivadas dessas componentes. The electromagnetic quantities measured and evaluated by the meters or sensors of the system of the present invention are: the fundamental frequency, fundamental harmonic, subharmonic and interharmonic components of the magnetic field, magnetic flux, induction waveforms. and grounding current in the grounding cable, or the fundamental and components of the mechanical frequency related to the generator rotation. The values used for the assessment and diagnosis of the operation of the electrical machine will therefore be the time derivative waveforms of these quantities and the frequency spectrum waveform components of the time derivatives of these quantities. The meters can directly measure these derivative values or waveforms, or they can measure the harmonic, subharmonic, and interharmonic components in question and perform the processing. data to obtain the values of the derivatives of these components.
[0054] Os medidores 1 , 1 1 , ..., 1 N podem ser unidirecionais, tridimensionais ou pontuais, dependendo do tipo de sensor usado. Em uma modalidade preferida, o medidor 1 , 1 1 ,..., 1 N é um sensor analógico que identifica diretamente os valores da derivada temporal, por exemplo de primeira ordem, de uma grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53,...5N.  The 1, 1 1, ..., 1 N gauges may be unidirectional, three-dimensional, or spot depending on the type of sensor used. In a preferred embodiment, the meter 1, 11, ..., 1 N is an analog sensor that directly identifies the values of the time derivative, for example of the first order, of an electromagnetic magnitude 50, 51, 52, 53. ..5N.
[0055] Em uma outra modalidade da invenção, o medidor 1 , 1 1 ,..., 1 N compreende um sensor e meios de cálculo. O sensor mede a forma de onda, em valores escalares ou valores vetoriais da grandeza eletromagnética (1 D, 2D ou 3D, por associação de sensores e pela própria natureza do sensor), e os meios de cálculo aplicam operadores derivativos aos valores medidos e realizam etapas de processamento de dados para identificar os valores da derivada temporal da grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N.  In another embodiment of the invention, meter 1, 11, ..., 1 N comprises a sensor and calculation means. The sensor measures the waveform, in scalar values or vector values of the electromagnetic quantity (1 D, 2D or 3D, by sensor association and by the very nature of the sensor), and the calculation means apply derivative operators to the measured values and perform data processing steps to identify the time derivative values of the electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N.
[0056] Em uma modalidade preferencial da invenção, os valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N são identificados por um sensor de indução, como por exemplo, uma bobina sonda (search-coil voltage). Outros sensores como, por exemplo, sensores de campo magnético, de fluxo magnético ou de indução magnética, elementos transdutores de campo magnético/indução, sensor magnético de indução, por exemplo, ou bobina sonda com núcleo de ar, dielétrico ou ferromagnético, entre outros, podem ser empregados nos medidores do sistema.  In a preferred embodiment of the invention, the time derivative values of the electromagnetic magnitude 50, 51, 52, 53, ... 5N are identified by an induction sensor, such as a search-coil voltage. ). Other sensors such as magnetic field, magnetic flux or magnetic induction sensors, magnetic field / induction transducer elements, magnetic induction sensor, or air core, dielectric or ferromagnetic probe coil, among others , can be employed in the system meters.
[0057] Em uma modalidade da invenção, os valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N identificados pelo(s) medidor(es) 1 , 1 1 ,..., 1 N correspondem à derivada de ordem n do campo magnético externo gerado pela máquina elétrica 3. De modo geral, os valores de derivada temporal da grandeza eletro- magnética 50, 51 , 52, 53, ...5N identificados pelo(s) medidor(es) 1 , 1 1 ,..., 1 N podem corresponder à derivada temporal de ordem n da grandeza eletromagnética avaliada, por exemplo do fluxo magnético ou a indução magnética gerados pela máquina elétrica 3 e medidos externamente a ela. O valor de n (ordem da derivada) é de 1 a infinito para esses casos, sendo preferencialmente igual a 1 . In one embodiment of the invention, the time derivative values of the electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N identified by meter (s) 1, 1 1, ..., 1 N correspond to to the n-order derivative of the external magnetic field generated by the electric machine 3. In general, the time-derivative values of the electro- 50, 51, 52, 53, ... 5N identified by meter (s) 1, 1 1, ..., 1 N may correspond to the n-order temporal derivative of the evaluated electromagnetic quantity, for example of the flux or magnetic induction generated by the electric machine 3 and measured externally to it. The value of n (order of the derivative) is from 1 to infinity for these cases, preferably being 1.
[0058] A posição 2, 22,..., 2N de cada medidor 1 , 1 1 ,..., 1 N em relação à máquina é identificada em função da distância em qualquer orientação radial em relação à extremidade oposta da carcaça da máquina e mais especificamente da carcaça do estator, conforme exemplo mostrado no eixo horizontal abaixo da máquina representado na figura 1. Esses medidores podem estar localizados em uma posição a uma distância da máquina elétrica 3 que varia desde um ponto em contato com a carcaça da máquina até uma distância radial de 30 vezes o diâmetro da máquina elétrica. The position 2, 22, ..., 2N of each meter 1, 1 1, ..., 1 N with respect to the machine is identified as a function of distance in any radial orientation with respect to the opposite end of the housing of the and specifically the stator housing, as shown in the horizontal axis below the machine shown in Figure 1. These meters may be located at a position at a distance from electrical machine 3 that varies from a point in contact with the machine housing up to a radial distance of 30 times the diameter of the electric machine.
[0059] Cada máquina elétrica possui uma assinatura eletromagnética, a qual varia devido, principalmente, aos diferentes tipos de máquinas, às diferentes especificações, às diferentes naturezas de construção, às possíveis falhas incipientes, ao estado de vida útil ou ao modo de operação dessas máquinas. Essa assinatura eletromagnética deve ser entendida no âmbito dessa invenção como o espectro de frequência das derivadas temporais das formas de onda das grandezas 50, 51 , 52, 53, ...5N identificadas por o pelo menos um medidor 1 , 1 1 ,..., 1 N. Exemplos de assinaturas eletromagnéticas podem ser vistas nas figuras 6 a 9.  Each electric machine has an electromagnetic signature, which varies mainly due to the different types of machines, the different specifications, the different construction nature, the possible incipient failures, the state of life or the mode of operation of these machines. machines. Such electromagnetic signature is to be understood within the scope of this invention as the frequency spectrum of the time derivatives of the 50, 51, 52, 53, ... 5N waveforms identified by at least one meter 1, 1 1, .. ., 1 N. Examples of electromagnetic signatures can be seen in figures 6 to 9.
[0060] Em uma modalidade preferencial da invenção, a assinatura eletromagnética da máquina elétrica 3 é constituída por uma ou mais dentre as componentes sub-síncronas, harmónicas e inter-harmônicas da frequência fundamental elétrica, incluindo a componente de frequência nula. Estas frequências são também relacionadas à frequên- cia fundamental mecânica, ou seja, são a fundamental mecânica e suas harmónicas. In a preferred embodiment of the invention, the electromagnetic signature of the electric machine 3 comprises one or more of the sub-synchronous, harmonic and interharmonic components of the electric fundamental frequency, including the null frequency component. These frequencies are also related to the frequency mechanical fundamental, that is, the mechanical fundamental and its harmonics.
[0061 ] Sempre que algum problema ocorre na máquina elétrica 3, a assinatura eletromagnética sofre variação comparada com a assinatura da máquina sadia. A presente invenção consegue identificar essa variação na assinatura eletromagnética da máquina 3 e relacionar essa variação a uma característica da máquina elétrica que sofreu alteração. A característica da máquina elétrica será melhor descrita a frente.  Whenever a problem occurs in the electric machine 3, the electromagnetic signature varies compared to the sound machine signature. The present invention can identify this variation in the electromagnetic signature of machine 3 and relate this variation to a characteristic of the altered electric machine. The characteristic of the electric machine will be better described later.
[0062] A fim de realizar a identificação das características da máquina 3, o sistema de acordo com a invenção utiliza um ou mais dos medidores 1 , 1 1 ,..., 1 N que identificam os valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N gerada pela máquina elétrica 3. Após serem identificados, seja diretamente pelo sensor do medidor, seja pelos meios de cálculo acoplados ao sensor, os valores de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N são enviados ao dispositivo de análise 4. Em uma modalidade preferencial, a utilização de apenas um sensor pode ser suficiente para se atingir os objetivos de análise 4.  In order to identify machine characteristics 3, the system according to the invention utilizes one or more of the meters 1, 1 1, ..., 1 N which identify the time derivative values of the electromagnetic quantity. , 51, 52, 53, ... 5N generated by the electric machine 3. After being identified, either directly by the meter sensor or by means of calculations coupled to the sensor, the time derivative values of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N are sent to the analysis device 4. In a preferred embodiment, the use of only one sensor may be sufficient to achieve the analysis objectives 4.
[0063] O dispositivo de análise 4 interpreta os valores de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) gerada pela máquina, e/ou de componentes do espectro de frequência de formas de onda das derivadas temporais dessas grandezas para determinar as características da máquina elétrica 3. Em uma modalidade preferencial da invenção o dispositivo de análise 4 trata e processa os valores ou a forma de onda da derivada temporal da grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N gerada pela máquina elétrica 3 e/ou de componentes do espectro de frequência de formas de onda das derivadas temporais dessas grandezas, através de filtros 41 e de amplificadores de instrumentação 42. [0064] Logo após, o sinal passa por um filtro anti-aliasing 43, a fim de evitar problemas de recobrimento espectral. Em seguida, o sinal é enviado para um circuito amostrador 44, para que o sinal seja amostrado e discretizado. Esse circuito amostrador 44 pode ser um conversor analógico/digital. Um meio computacional 45, como, por exemplo, um computador provido de um processador e um software adequados, faz a leitura do sinal do circuito amostrador 44, e compara esse sinal com os valores pré-estabelecidos de derivada temporal daquela grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica 3. Em uma outra modalidade da invenção, o meio computacional 45 faz a leitura do sinal do circuito amostrador 44, faz a decomposição espectral de frequência do sinal, gerando a assinatura magnética, e compara essa assinatura e/ou valores de componentes do espectro de frequência com diversos valores correspondentes de componentes de frequência dos valores de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N externa à máquina 3, obtidos anteriormente ou pré- estabelecidos. Os valores pré-estabelecidos de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N gerada pela máquina elétrica 3 e/ou de componentes do espectro de frequência de formas de onda das derivadas temporais dessas grandezas serão melhor descritos a frente. Analyzer 4 interprets the time derivative values of an electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) generated by the machine, and / or of frequency spectrum components of waveforms. time derivative wave of these quantities to determine the characteristics of the electric machine 3. In a preferred embodiment of the invention the analysis device 4 treats and processes the values or waveform of the time derivative of the electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N generated by the electrical machine 3 and / or of waveform frequency spectrum components of the time derivatives of these quantities, through filters 41 and instrumentation amplifiers 42. Shortly thereafter, the signal goes through an anti-aliasing filter 43 to avoid spectral overlay problems. Then the signal is sent to a sampler circuit 44 so that the signal is sampled and discretized. This sampler circuit 44 may be an analog / digital converter. A computational medium 45, such as a computer with a suitable processor and software, reads the signal from the sampler circuit 44, and compares this signal with the pre-set time derivative values of that machine-generated electromagnetic quantity. 3. In another embodiment of the invention, the computational medium 45 reads the signal from the sampler circuit 44, makes the frequency spectral decomposition of the signal, generating the magnetic signature, and compares that signature and / or values of spectrum components. frequency values with various corresponding frequency component values of the time derivative values of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N external to machine 3, obtained previously or pre-established. The predefined time derivative values of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N generated by the electric machine 3 and / or the waveform frequency spectrum components of the time derivatives of these quantities will be further described. forward.
[0065] Em uma modalidade preferida da invenção o meio computacional 45 lê os valores de amplitudes das componentes sub- síncronas, harmónicas e inter-harmônicas da grandeza eletromagnética do sinal gerado pelo circuito amostrador 44 e os compara com os valores das amplitudes dos valores pré-estabelecidos de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N gerada pela máquina elétrica 3.  In a preferred embodiment of the invention the computational medium 45 reads the amplitude values of the sub-synchronous, harmonic and interharmonic components of the electromagnetic magnitude of the signal generated by the sampler circuit 44 and compares them to the amplitude values of the pre-values. -established time derivatives of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N generated by the electric machine 3.
[0066] Após a comparação, o meio computacional 45 é capaz de identificar as características da máquina elétrica 3 e disponibilizá-las para visualização no dispositivo de análise 4 através de um display, ou por outra forma de apresentação de resultados de análise, tal como, por exemplo, uma listagem de valores. Em uma outra modalidade da invenção o meio computacional 45 disponibiliza os dados para um sistema supervisório 6 incluído ou não no dispositivo de análise 4. O dispositivo de análise 4 garante a adequada relação sinal/ruído necessária à aquisição eficiente das informações para o meio computacional 45 e para o sistema supervisório 6. After comparison, the computational medium 45 is able to identify the characteristics of the electric machine 3 and make them available. for viewing on the analysis device 4 through a display, or by another way of displaying analysis results, such as, for example, a listing of values. In another embodiment of the invention the computing medium 45 makes the data available to a supervisory system 6 whether or not included in the analyzing device 4. The analyzing device 4 ensures the proper signal-to-noise ratio necessary for the efficient acquisition of information for the computing medium 45 and for the supervisory system 6.
[0067] O sistema supervisório 6 lê as informações transmitidas a ele e, dependendo da característica da máquina elétrica determinada, caso seja uma característica de falta da máquina elétrica, dispara um alarme, que pode ser preferencialmente sonoro ou visual, ou em forma de relatório, ou por outra modalidade de aviso, avisando um usuário sobre a característica de falta que a máquina elétrica sofre.  The supervisory system 6 reads the information transmitted to it and, depending on the characteristic of the electrical machine determined, if it is a fault characteristic of the electrical machine, triggers an alarm, which may be preferably audible or visual, or in report form. , or by another warning mode, advising a user of the fault characteristic of the electric machine.
[0068] Os valores pré-estabelecidos de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica 3 podem ser obtidos através de uma primeira medição quando a máquina está em condições sadias, para poder adquirir-se valores de referência. Por exemplo, quando a máquina estiver sadia, essa medição pode ser realizada com uma frequência de tempo que pode ser diária, semanal, mensal ou anual, ou conforme às necessidades e especificações do usuário/especialista. Os valores pré-estabelecidos de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica 3 podem também ser obtidos através de um histórico de valores armazenados enquanto a máquina está sadia. Além disso, os valores pré- estabelecidos de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica 3 também podem consistir em valores teóricos esperados, que podem ser previamente calculados ou estimados em simuladores. The preset time derivative values of an electromagnetic quantity generated by the electric machine 3 can be obtained by a first measurement when the machine is in healthy condition, in order to obtain reference values. For example, when the machine is healthy, this measurement can be performed at a frequency of time that can be daily, weekly, monthly or yearly, or as per the needs / specifications of the user / expert. The preset values of time derivative of an electromagnetic quantity generated by electric machine 3 can also be obtained through a history of stored values while the machine is healthy. In addition, the predefined time derivative values of an electromagnetic quantity generated by the electric machine 3 may also consist of expected theoretical values, which may be previously calculated or estimated in simulators.
[0069] As características da máquina elétrica 3 são, normalmente, características de diagnóstico de operação da máquina fora do padrão normal, tempo de vida, características de início de falhas incipientes (faltas), ou características de funcionamento da máquina. As características de início de falhas incipientes, em geral faltas na máquina elé- trica, não prejudicam, a princípio, o seu funcionamento, mas alteram o campo eletromagnético gerado pela máquina 3. Essas faltas, se não forem identificadas, e extinguidas, levam a máquina elétrica a uma falha. Por conta disso, em uma modalidade preferencial da invenção, o sistema supervisório 6 desliga a máquina elétrica 3 caso a característica seja uma característica de falta. [0069] The characteristics of electric machine 3 are usually Diagnostic characteristics of non-standard machine operation, life time, incipient fault initiation characteristics (faults), or machine operating characteristics. The onset characteristics of incipient failures, generally faults in the electrical machine, do not at first impair its operation, but alter the electromagnetic field generated by the machine 3. These faults, if not identified, and extinguished lead to electrical machine to a fault. Accordingly, in a preferred embodiment of the invention, the supervisory system 6 shuts down the electric machine 3 if the characteristic is a fault characteristic.
[0070] As características de diagnóstico de operação ou de funcionamento podem ser entre outras, uma condição de falta, uma condição de falha, uma condição de funcionamento normal, a vida útil da máquina, entre outros. A condição de falta da máquina elétrica 3 pode ser entre outras, um mal funcionamento do enrolamento amortecedor, curtos-circuitos no enrolamento de campo, defeitos em barras, desba- lanceamento de tensão, desequilíbrio de fases, curto-circuito entre espiras, curto-circuito entre fases, bobinas abertas, circuitos elétricos abertos, excentricidades, vibração mecânica, deslocamento de entre- ferro, curtos-circuitos externos, perda de alimentação em partes da máquina, problemas de excitação, problemas mecânicos em mancais ou de balanceamento mecânico, perda de isolamentos, curto-circuito nos núcleos magnéticos, outros problemas nos núcleos magnéticos do estator e rotor, correntes de fuga, correntes induzidas indevidamente, subtensão, sobretensão, presença de harmónicos na alimentação, sobreaquecimento, influências da carga elétrica ou mecânica, entre outros. Normalmente, quando ocorre uma falha ou uma falta na máquina elétrica, o espectro de frequência do campo magnético externo (ou indução magnética, ou fluxo magnético) é alterado, principalmente nas componentes de frequência de baixas ordem e de ordem par, facilitan- do assim sua identificação através do sistema e do método da invenção. Entretanto, o sistema e método da invenção também monitoram componentes de frequências elevadas, até a ordem de grandeza de dez mil vezes a frequência da fundamental elétrica. [0070] The operating or operating diagnostics characteristics may be, among others, a fault condition, a fault condition, a normal operating condition, the life of the machine, among others. The fault condition of the electric machine 3 can be, among others, a damper winding malfunction, field winding short circuits, bus faults, voltage unbalance, phase unbalance, loop short circuits, short circuits. phase-to-circuit, open coils, open electrical circuits, eccentricities, mechanical vibration, iron shift, external short circuits, loss of power to machine parts, excitation problems, mechanical bearing or mechanical balance problems, loss of insulation, short circuit in magnetic cores, other problems in stator and rotor magnetic cores, leakage currents, improperly induced currents, undervoltage, overvoltage, presence of harmonics in the supply, overheating, influences of electrical or mechanical load, among others. Normally, when a failure or fault occurs in the electrical machine, the frequency spectrum of the external magnetic field (or magnetic induction, or magnetic flux) changes, especially in the low order and even order frequency components, facilitating thus their identification by the system and method of the invention. However, the system and method of the invention also monitor high frequency components up to the order of magnitude ten thousand times the frequency of the electric fundamental.
[0071 ] Na figura 2, é mostrado um diagrama do sistema de acordo com uma outra modalidade preferida, no qual a derivada temporal de uma grandeza eletromagnética 501 gerada pela máquina elétrica 3 é a derivada temporal da corrente do cabo de aterramento da máquina elétrica. Nessa modalidade da invenção também é aplicado o método para identificar características de uma máquina elétrica 3 de acordo com a invenção. In Figure 2, a system diagram according to another preferred embodiment is shown, wherein the time derivative of an electromagnetic quantity 501 generated by the electric machine 3 is the time derivative of the grounding current of the electric machine. In this embodiment of the invention the method for identifying characteristics of an electric machine 3 according to the invention is also applied.
[0072] O sistema da figura 2 compreende pelo menos um medidor 101 não invasivo posicionado externamente à máquina elétrica 3 em pelo menos uma posição 201 com uma orientação conveniente. Nessa modalidade da invenção, os medidores podem ser unidirecionais, tridimensionais ou pontuais, dependendo do tipo de sensor usado. Em uma modalidade preferida, uma bobina de Rogowisky é usada como medidor, que fornece naturalmente os valores da forma de onda proporcional à derivada de primeira ordem da corrente de aterramento da máquina elétrica 3.  The system of figure 2 comprises at least one non-invasive meter 101 positioned externally to the electric machine 3 in at least one position 201 with a convenient orientation. In this embodiment of the invention, the meters may be unidirectional, three-dimensional or point depending on the type of sensor used. In a preferred embodiment, a Rogowisky coil is used as a meter, which naturally provides the waveform values proportional to the first order derivative of the grounding current of the electric machine 3.
[0073] A posição 201 mostrada no eixo das ordenadas abaixo da máquina elétrica da figura 2 corresponde à distância do medidor 101 em relação ao cabo de aterramento da máquina 3. O medidor 101 pode ficar localizado em uma distância que pode variar radialmente em relação à máquina 3 ou ao seu cabo de aterramento. Essa distância varia a partir de uma posição encostada à carcaça da máquina ou à superfície do cabo de aterramento até uma posição localizada a uma distância de 20 vezes o diâmetro da máquina 3. Na modalidade preferida da invenção em que o medidor 101 é uma bobina de Rogowsky, esse medidor 101 fica disposto envolvendo o cabo de aterramento da máquina elétrica 3. Da mesma forma que na modalidade da figura 1 , a máquina elétrica 3 possui uma assinatura eletromagnética correspondente à corrente do cabo de aterramento. Em uma modalidade preferencial se analisam as formas de onda das derivadas temporais da corrente do cabo de aterramento e/ou de componentes do espectro de frequência de formas de onda das derivadas temporais dessa corrente. Diferentes máquinas elétricas ou estados de uma mesma máquina elétrica compreendem assinaturas eletromagnéticas da corrente de aterramento e de suas derivadas temporais também distintas. A assinatura eletromagnética na modalidade da figura 2 é constituída pelo espectro de frequência das derivadas temporais das formas de onda da corrente do cabo de aterramento 501 da máquina elétrica 3 identificadas pelo medidor 101. The position 201 shown on the ordinate axis below the electrical machine of figure 2 corresponds to the distance of meter 101 from the grounding cable of machine 3. The meter 101 may be located at a distance that may vary radially from the machine 3 or its grounding cable. This distance ranges from a position against the machine frame or grounding cable surface to a position located at a distance of 20 times the diameter of the machine 3. In the preferred embodiment of the invention wherein meter 101 is a coil of Rogowsky, this meter 101 is disposed around the grounding cable of the electric machine 3. As in the embodiment of FIG. 1, electric machine 3 has an electromagnetic signature corresponding to the grounding cable current. In a preferred embodiment, the time derivatives of the grounding wire current derivatives and / or the frequency derivative waveform components of the time derivatives of that current are analyzed. Different electrical machines or states of the same electrical machine comprise electromagnetic signatures of the grounding current and its distinct time derivatives. The electromagnetic signature in the embodiment of FIG. 2 is the frequency spectrum of the time derivatives of the grounding current 501 of the electrical machine 3 identified by meter 101.
[0074] Em uma modalidade preferencial da invenção, a assinatura da corrente do cabo de aterramento da máquina elétrica 3 é constituída pelas componentes sub-síncronas, harmónicas e inter-harmônicas da frequência elétrica fundamental, incluindo a componente de frequência nula, ou de frequências harmónicas da frequência fundamental mecânica, incluindo a fundamental do giro mecânico.  [0074] In a preferred embodiment of the invention, the electrical machine grounding cable current signature 3 is comprised of the sub-synchronous, harmonic, and interharmonic components of the fundamental electric frequency, including the zero frequency component, or the frequency component. harmonics of the mechanical fundamental frequency, including the fundamental of mechanical rotation.
[0075] Sempre que algum problema ocorre na máquina elétrica 3, a assinatura eletromagnética da corrente e dos valores de suas derivadas temporais do cabo de aterramento da máquina 3 (incluindo os componentes do espectro de frequência de formas de onda dessas derivadas temporais)sofrem uma alteração. O sistema de acordo com essa modalidade invenção consegue identificar essa alteração na assinatura eletromagnética da máquina 3 e relacionar essa alteração a uma característica da máquina elétrica. Whenever a problem occurs in electrical machine 3, the electromagnetic signature of the current and its time derivative values from the machine grounding cable 3 (including the waveform frequency spectrum components of these time derivatives) suffers a Amendment The system according to this embodiment can identify this change in the electromagnetic signature of machine 3 and relate this change to a characteristic of the electric machine.
[0076] O pelo menos um medidor 101 identifica os valores relativos à derivada temporal da corrente do cabo de aterramento da máquina elétrica 3. Esses valores 501 podem ser valores de derivada de ordem n, tal que n pode variar de 1 a infinito, e é preferencialmente igual a 1. At least one meter 101 identifies the values relating to the time derivative of the grounding current of the electrical machine 3. These values 501 may be values derived from order n, such that n may range from 1 to infinity, and is preferably 1.
[0077] Esses valores 501 são obtidos analogicamente pelo medidor 101. Após obtidos, os valores da derivada temporal da grandeza eletromagnética 501 são enviados ao dispositivo de análise 4 que irá realizar as mesmas etapas de tratamento de sinal e de identificação das características da máquina elétrica 3 descritas para a modalidade da invenção da figura 1 e, em seguida irá disponibilizar as características identificadas para visualização em um display do dispositivo de análise 4, ou por outra forma de apresentação de resultados de análise, tal como, por exemplo, uma listagem de valores, ou irá disponibilizar os dados para um sistema supervisório 6 incluído ou não no dispositivo de análise 4.  These values 501 are obtained analogously by meter 101. Once obtained, the time derivative values of the electromagnetic quantity 501 are sent to the analysis device 4 which will perform the same signal treatment and identification characteristics of the electrical machine. 3 described for the embodiment of the invention of FIG. 1 and then will provide the identified features for display on an analysis device display 4, or for another form of analysis result presentation, such as, for example, a listing of values, or will make the data available to a supervisory system 6 included or not in the analysis device 4.
[0078] Na figura 3, é mostrado um diagrama de blocos das etapas do método para identificar características de uma máquina elétrica de acordo com a invenção. Na etapa 1000, é feita a identificação dos valores de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 gerada pela máquina elétrica 3 em pelo menos uma posição 2, 22,..., 2N, 201 externa à máquina elétrica 3. Essa etapa 1000 pode ser realizada por meio de um medidor 1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 que mede os valores escalares ou vetoriais da grandeza eletromagnéti- ca50, 51 , 52, 53, ...5N, 501. Além disso, podem ser aplicados, por exemplo, por meios de cálculo, operadores derivativos aos valores escalares ou vetoriais, ou podem ser realizadas etapas de processamento de dados para poder identificar os valores da derivada temporal da grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N medida e/ou de componentes do espectro de frequência de formas de onda das derivadas temporais dessas grandezas.  In Figure 3, a block diagram of the method steps for identifying characteristics of an electric machine according to the invention is shown. In step 1000, the time derivative values of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, ... 5N, 501 generated by the electric machine 3 in at least one position 2, 22, ..., 2N are identified. , 201 external to the electric machine 3. This step 1000 can be performed by means of a meter 1, 1 1, ..., 1 N, 101 that measures the scalar or vector values of the electromagnetic quantity50, 51, 52, 53 , ... 5N, 501. In addition, derivative operators may be applied, for example, to scalar or vector values, or data processing steps may be performed to identify the values of the temporal derivative of the quantity. 50, 51, 52, 53, ... 5N measured and / or of frequency spectrum waveform components of the time derivatives of these quantities.
[0079] Na etapa 1001 é realizada a comparação 1001 dos valores identificados da derivada temporal da grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 gerada pela máquina elétrica 3 e/ou de componentes do espectro de frequência de formas de onda das derivadas temporais dessas grandezas com os valores pré-estabelecidos de derivada temporal e componentes do seu espectro de frequência daquela grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica 3. In step 1001 the comparison 1001 of the identified values of the time derivative of the electromagnetic quantity 50 is performed, 51, 52, 53, ... 5N, 501 generated by the electrical machine 3 and / or of the time derivative waveform frequency spectrum components of these quantities with the pre-established time derivative values and components of their time spectrum. frequency of that electromagnetic quantity generated by the electric machine 3.
[0080] Na etapa 1002 é realizada a determinação 1002 de pelo menos uma característica da máquina elétrica 3 com base no resultado da comparação. Essas etapas do método podem ser realizadas pelo sistema para identificar características de uma máquina elétrica 3 do tipo aqui descrito. In step 1002, at least one characteristic of electric machine 3 is determined 1002 based on the result of the comparison. These method steps can be performed by the system to identify characteristics of an electrical machine 3 of the type described herein.
[0081 ] Na figura 4, é mostrado um diagrama de blocos das etapas do método de acordo com a invenção em uma modalidade preferida, em que a etapa de comparar 1001 os valores identificados da derivada temporal da grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 gerada pela máquina elétrica 3 com os valores pré-estabelecidos da derivada temporal daquela grandeza eletromagnética compreende adicionalmente as subetapas de:  In Figure 4, a block diagram of the steps of the method according to the invention is shown in a preferred embodiment, wherein the step of comparing 1001 the identified values of the time derivative of the electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53 , ... 5N, 501 generated by the electric machine 3 with the preset values of the time derivative of that electromagnetic quantity further comprises the substeps of:
[0082] - filtrar 1003 o sinal medido; [0082] - filtering the measured signal 1003;
[0083] - amplificar 1004 o referido sinal; [0083] - amplifying 1004 said signal;
[0084] - passar 1005 esse sinal por um filtro anti-aliasing 43; e Passing this signal 1005 through an anti-aliasing filter 43; and
[0085] - discretizar 1006 o sinal. [0085] - discretize the signal 1006.
[0086] Na subetapa 1003, o sinal enviado pelo(s) medidor(es)1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 é filtrado através dos filtros 41 no dispositivo de análise 4 do sistema de acordo com a invenção. O sinal filtrado é, então, enviado para ser amplificado na subetapa 1004 através dos amplificadores de instrumentação 42, para, então, na subetapa 1005, passar por um filtro anti-aliasing 43. Em seguida, na subetapa 1006, o dispositivo de análise 4 discretiza o sinal através do circuito amostrador 44 e, finalmente, um meio computacional 45 lê o sinal discretizado e o compara com os valores pré-estabelecidos da derivada temporal daquela gran- deza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N gerada pela máquina elétrica 3. Dessa forma, a etapa de comparação 1001 é finalizada, e então, pode ser realizada a etapa 1002 de determinar pelo menos uma característica da máquina elétrica 3. In substep 1003, the signal sent by meter (s) 1, 11, ..., 1 N, 101 is filtered through the filters 41 in the analysis device 4 of the system according to the invention. The filtered signal is then sent to be amplified at substep 1004 through instrumentation amplifiers 42, then at substep 1005 to pass an anti-aliasing filter 43. Then, at substep 1006, the analyzer 4 discretizes the signal through the sampler circuit 44, and finally a computational medium 45 reads the discretized signal and compares it to the pre-established values of the temporal derivative of that large one. 50, 51, 52, 53, ... 5N generated by the electric machine 3. In this way, the comparison step 1001 is completed, and then step 1002 of determining at least one characteristic of the electric machine 3 can be performed. .
[0087] Na figura 5, é mostrado um diagrama de blocos das etapas do método de acordo com a invenção em uma outra modalidade da invenção , em que, após a determinação 1002 de pelo menos uma característica da máquina elétrica 3, os dados coletados são armazenados 1007 para serem usados como valores pré-estabelecidos de derivada temporal daquela grandeza eletromagnética gerada pela máquina 3. Esses dados armazenados como valores pré-estabelecidos são usados para obter-se uma primeira assinatura eletromagnética da máquina elétrica 3. Esses valores armazenados também podem ser usados para constituir um histórico de operação da máquina elétrica 3 compreendendo diversos valores identificados com um intervalo de tempo determinado.  [0087] In Figure 5, a block diagram of the steps of the method according to the invention is shown in another embodiment of the invention, wherein, upon determination 1002 of at least one feature of the electric machine 3, the collected data is 1007 to be used as preset values of time derivative of that electromagnetic quantity generated by machine 3. These data stored as preset values are used to obtain a first electromagnetic signature of the electric machine 3. These stored values can also be used to constitute a history of operation of the electric machine 3 comprising various values identified with a given time interval.
[0088] Na figura 6 é mostrado um espectro de frequência proveniente da derivada temporal de primeira ordem dos valores da grandeza eletromagnética. Nessa modalidade da invenção, a grandeza eletromagnética é o campo magnético externo à máquina 3. São utilizados três medidores, um deles fixo na parede externa e outro medidor na parede interna do compartimento de alojamento de um gerador de uma usina hidrelétrica e o terceiro medidor na face acessível da carcaça do estator da máquina. Na figura 6, os medidores são identificados como: medidor 1 (face externa do housing), medidor 2 (face interna do housing) e medidor 3 (face da carcaça do estator). A máquina elétrica 3 correspondente a esse espectro de frequência é um gerador síncrono operando em 60Hz, sem defeito. Nota-se a presença das sub- harmônicas (componentes de frequência menores do que a frequência fundamental elétrica de 60Hz) e inter-harmônicas (frequências distin- tas de múltiplos inteiros de 60Hz) presentes naturalmente na máquina devido a pequenas assimetrias eletromagnéticas ou construtivas da máquina. A frequência fundamental mecânica é de 2Hz, sendo as demais componentes suas múltiplas naturais. Por meio do método e do sistema da presente invenção, todas essas componentes são identificadas, o sinal delas é tratado, e comparado com valores preestabelecidos relativos ao campo magnético externo à máquina 3 e de sua(s) derivada(s) temporal(is) para determinar pelo menos uma característica da máquina elétrica 3. In Fig. 6 is shown a frequency spectrum from the first order time derivative of the electromagnetic magnitude values. In this embodiment of the invention, the electromagnetic magnitude is the magnetic field external to the machine 3. Three meters are used, one fixed to the outer wall and the other to the inner wall of the housing compartment of a generator of a hydroelectric plant and the third meter to the accessible face of the machine's stator housing. In Figure 6, the meters are identified as: meter 1 (housing external face), meter 2 (housing internal face) and meter 3 (stator housing face). The electric machine 3 corresponding to this frequency spectrum is a synchronous generator operating at 60Hz without fault. Note the presence of subharmonics (frequency components smaller than the 60Hz electrical fundamental frequency) and interharmonics (distinctive frequencies). 60Hz integer multiples) naturally present in the machine due to small electromagnetic or constructive machine asymmetries. The mechanical fundamental frequency is 2Hz, the other components being their natural multiples. By the method and system of the present invention all of these components are identified, their signal is treated, and compared to pre-set values for the external magnetic field 3 of the machine and its temporal derivative (s). to determine at least one characteristic of the electric machine 3.
[0089] Como as amplitudes das componentes sub-harmônicas e inter-harmônicas, ou da frequência fundamental mecânica e suas harmónicas, são relativamente menores do que a frequência fundamental elétrica, a análise das amplitudes das componentes de frequência de interesse aplicada na invenção é realizada em decibel e em valores relativos a uma frequência que pode ser a fundamental elétrica, ou frequência fundamental mecânica ou outra qualquer, desde que adequada ao procedimento de análise espectral e à análise de características da máquina 3. Esta é uma das vantagens da invenção, pois as sub-harmônicas e as inter-harmônicas (ou a frequência fundamental mecânica e suas harmónicas) possuem normalmente amplitudes menores do que a amplitude da frequência fundamental elétrica que, visualmente, inviabilizariam a detecção de anomalias na máquina se fossem utilizados valores absolutos reais das grandezas eletromagnéticas, pois estariam no início da escala.  Since the amplitudes of the subharmonic and interharmonic components, or the mechanical fundamental frequency and their harmonics, are relatively smaller than the electrical fundamental frequency, the analysis of the amplitudes of the frequency components of interest applied in the invention is performed. in decibel and in values relative to a frequency which may be electrical fundamental, or mechanical fundamental frequency or any other, as long as it is suitable for the spectral analysis procedure and the machine characteristic analysis 3. This is one of the advantages of the invention because subharmonics and interharmonics (or the mechanical fundamental frequency and its harmonics) typically have amplitudes smaller than the electrical fundamental frequency amplitude that would, visually, make it impossible to detect anomalies in the machine if actual absolute values of quantities were used. as they would be at the beginning of the scale.
[0090] Na figura 7 é mostrado um exemplo comparativo das assinaturas magnéticas dos espectros de dois geradores. Nesta usina, os geradores A e B avaliados têm o mesmo projeto construtivo, de forma que encontrou-se um padrão espectral semelhante entre eles. As pequenas diferenças de amplitude observadas para algumas componentes podem indicar particularidades de cada um dos equipamentos. Também nestes experimentos, os sensores foram posicionados em um mesmo ponto em relação ao pacote estatórico de cada gerador, os quais funcionavam sob uma mesma condição de operação. In Figure 7 a comparative example of the magnetic signatures of the spectra of two generators is shown. In this plant, the evaluated generators A and B have the same construction design, so that a similar spectral pattern was found between them. The small amplitude differences observed for some components may indicate particularities of each equipment. Also in these experiments, the sensors were positioned at the same point in relation to each generator's statistic package, which worked under the same operating condition.
[0091 ] Na figura 8 é mostrado um exemplo comparativo da assinatura eletromagnética de dois geradores síncronos operando em 60 Hz, mostrando a análise espectral dos valores da derivada temporal de primeira ordem da corrente elétrica do cabo de aterramento dos geradores (corrente de neutro) como grandeza elétrica. Estas correntes mostram a presença de algumas das componentes de frequência sub- harmônicas. Além disso, comparando, por exemplo, o espectro destas correntes para os geradores A e B da Figura 7, nota-se que esta grandeza possui uma assinatura própria para cada máquina elétrica. [0091] Figure 8 shows a comparative example of the electromagnetic signature of two synchronous generators operating at 60 Hz, showing the spectral analysis of the first order time derivative values of the generators grounding cable current (neutral current) as electrical quantity. These currents show the presence of some of the subharmonic frequency components. Moreover, comparing, for example, the spectrum of these currents for generators A and B of Figure 7, it is noted that this quantity has its own signature for each electric machine.
[0092] Na Figura 9 é mostrado um exemplo de identificação da variação de amplitudes das componentes sub-harmônicas em função da severidade da falta do tipo curto-circuito no enrolamento de campo de um gerador síncrono de oito poios operando em 60Hz. A componente de frequência de 15 Hz é a fundamental mecânica. Nessa figura, são mostrados os valores de amplitude em dBV das componentes sub-harmônicas da derivada de primeira ordem do campo magnético externo à máquina, em relação à frequência fundamental elétrica, medidas por um medidor do sistema de acordo com a invenção, inicialmente a máquina se encontra sem nenhum curto-circuito, e, subsequentemente com aumento progressivo da quantidade de espiras colocadas em curto-circuito. [0092] Figure 9 shows an example of identifying the amplitude variation of the subharmonic components as a function of the severity of the short circuit type field winding of an eight-pole synchronous generator operating at 60Hz. The 15 Hz frequency component is the fundamental mechanic. In this figure, the amplitude values in dBV of the subharmonic components of the first order derivative of the external magnetic field relative to the electrical fundamental frequency measured by a system meter according to the invention, initially the machine, are shown. is short-circuited, and subsequently with a progressive increase in the number of turns shorted.
[0093] Para exemplificar a detecção de anomalias em uma máquina elétrica, como pode ser observado na Figura 9, conforme o agravamento da falta (nesse caso, o aumento da quantidade de espiras em curto-circuito), as amplitudes das componentes sub-harmônicas monitoradas aumentam. Na mudança do estado sadio para a colocação de 20% das espiras de um polo em curto-circuito, todas as três compo- nentes sub-harmônicas observadas aumentam em amplitude, em proporções ligeiramente diferentes, porém em aproximadamente 12 dBV. To exemplify the detection of anomalies in an electrical machine, as can be seen in Figure 9, as the fault increases (in this case, the increase in the number of shorted turns), the amplitudes of the subharmonic components. monitored increase. When changing the sound state to 20% turns of a pole shorted, all three components observed subharmonic levels increase in amplitude, in slightly different proportions, but by approximately 12 dBV.
[0094] Com o aumento da falta, as amplitudes das sub-harmônicas continuam a crescer, novamente em proporções distintas. Para um curto-circuito em 50% das espiras em curto-circuito, houve um aumento médio de 7,5 dBV em relação ao estado anterior, ou 19,5 dB em relação ao estado considerado sadio. Curto-circuitando todas as espiras de um polo, as amplitudes tiveram incremento, de aproximadamente 5dBV para as componentes sub-harmônicas em 15 e 30 Hz, e 2,5 dBV para a componente de 45 Hz. A amplitude da frequência fundamental mecânica de 15 Hz ficou praticamente com a mesma amplitude da frequência fundamental elétrica. A medição, a análise e a avaliação do comportamento da fundamental mecânica e suas harmónicas presentes nas formas de onda das derivadas temporais do campo magnético externo (ou indução ou fluxo magnético externos) é também uma novidade da invenção. Nesta modalidade, apenas um sensor foi empregado, mostrando-se suficiente para a detecção da falta incipiente. [0094] As the fault increases, the subharmonic amplitudes continue to grow, again in distinct proportions. For a short circuit in 50% of the shorted turns, there was an average increase of 7.5 dBV from the previous state, or 19.5 dB from the considered healthy state. Shorting all the turns of a pole, the amplitudes increased by approximately 5dBV for the subharmonic components at 15 and 30 Hz, and 2.5 dBV for the 45 Hz component. The amplitude of the mechanical fundamental frequency of 15 Hz was about the same amplitude as the electric fundamental frequency. The measurement, analysis and evaluation of the behavior of the fundamental mechanics and their harmonics present in the external magnetic field time derivative waveforms (or external magnetic induction or flux) is also a novelty of the invention. In this modality, only one sensor was employed, proving sufficient to detect the incipient fault.
[0095] Através dessas diferenças de amplitudes quando a máquina elétrica sofre uma falta, falha ou quando há algo de errado com a máquina, o sistema e o método conseguem identificar, através da medida dos valores de derivada temporal de uma grandeza eletromagné- tica 50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 gerada pela máquina elétrica 3 no domínio da frequência, pelo menos uma característica da máquina elétrica 3. Through these differences in amplitudes when the electrical machine goes missing, fails, or when something is wrong with the machine, the system and method can identify by measuring the time derivative values of an electromagnetic quantity. , 51, 52, 53, ... 5N, 501 generated by electric machine 3 in the frequency domain, at least one characteristic of electric machine 3.
[0096] O sistema e o método para identificar características de uma máquina elétrica de acordo com a invenção realizam, portanto, de maneira não invasiva, a identificação de valores de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética 50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 e/ou de componentes do espectro de frequência de formas de onda das derivadas temporais dessa grandeza gerada pela máquina elétrica 3 em pelo menos uma posição 2, 22, 2N, 201 que pode variar radialmente em relação a máquina 3 a partir de encostada a carcaça da máquina até uma distância 30 vezes o diâmetro da máquina 3, para então, comparar os valores identificados da derivada temporal da grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica 3 com os valores preestabelecido de derivada temporal dessa mesma grandeza eletromagnética. Em seguida, no dispositivo de análise 4 é determinada pelo menos uma característica da máquina elétrica 3 com base no resultado da comparação. The system and method for identifying features of an electric machine according to the invention therefore non-invasively perform the identification of time derivative values of an electromagnetic quantity 50, 51, 52, 53, .. .5N, 501 and / or time derivative waveform frequency spectrum components of this magnitude generated by the electrical machine 3 in at least one position 2, 22, 2N, 201 which may vary radially with respect to machine 3 from abutting the machine casing to a distance 30 times the diameter of machine 3, to then compare the identified values of the time derivative of the machine. electromagnetic quantity generated by electric machine 3 with the pre-established time derivative values of that same electromagnetic quantity. Then, in the analysis device 4 at least one characteristic of the electric machine 3 is determined based on the result of the comparison.
[0097] Todas as etapas do método para identificar características de uma máquina elétrica aqui descritas podem ser realizadas por meio do sistema para identificar características de uma máquina elétrica aqui descrito.  All steps of the method for identifying characteristics of an electrical machine described herein may be performed by means of the system for identifying characteristics of an electrical machine described herein.
[0098] Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.  Having described a preferred embodiment example, it should be understood that the scope of the present invention encompasses other possible variations, being limited only by the content of the appended claims, including the possible equivalents thereof.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. Sistema para identificar características de uma máquina elétrica (3), compreendendo pelo menos um medidor (1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 ) não invasivo e um dispositivo de análise (4),  1. system for identifying characteristics of an electrical machine (3) comprising at least one non-invasive meter (1, 1 1, ..., 1 N, 101) and an analysis device (4);
caracterizado pelo fato de que o pelo menos um medidor (1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 ) identifica valores de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) gerada pela máquina elétrica (3) e envia esses valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) para o dispositivo de análise (4), e  characterized in that the at least one meter (1, 1 1, ..., 1 N, 101) identifies time derivative values of an electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) generated by the electric machine (3) and sends these time derivative values of the electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) to the analysis device (4), and
o dispositivo de análise (4) interpreta os valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) identificados por o pelo menos um medidor (1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 ) não invasivo e determina pelo menos uma característica da máquina elétrica (3).  the analysis device (4) interprets the time derivative values of the electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) identified by at least one meter (1, 1 1, ..., 1 N, 101) noninvasive and determines at least one characteristic of the electric machine (3).
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a grandeza eletromagnética é pelo menos um componente do espectro de frequência das formas de onda e suas derivadas temporais de um dentre o campo magnético externo à máquina elétrica (3), o fluxo magnético externo à máquina elétrica, a indução magnética externa à máquina elétrica e a corrente do cabo de aterra- mento da máquina elétrica.  A system according to claim 1, characterized in that the electromagnetic magnitude is at least one component of the waveform frequency spectrum and its temporal derivatives of one of the magnetic field external to the electric machine (3); the magnetic flux external to the electric machine, the magnetic induction external to the electric machine and the grounding current of the electric machine.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que cada medidor (1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 ) mede pelo menos um componente diferente do espectro de frequência da máquina elétrica.  System according to claim 2, characterized in that each meter (1,11, ..., 1 N, 101) measures at least one different component of the frequency spectrum of the electric machine.
4. Sistema, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de análise (4) compara os valores identificados de derivada temporal da grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) com valores pré-estabelecidos de derivada temporal dessa grandeza eletromagnética e determina pelo menos uma característica da máquina elétrica com base no resultado da comparação. System according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the analysis device (4) compares the identified time derivative values of the electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) with predefined time derivative values of this electromagnetic quantity and determines at least a feature of the electric machine based on the comparison result.
5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) identificada correspondem à derivada temporal de ordem n da referida grandeza eletromagnética, sendo que n varia de 1 a infinito.  System according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the time derivative values of the identified electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) correspond to the time derivative of n order of said electromagnetic quantity, wherein n ranges from 1 to infinity.
6. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um medidor (1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 ) não invasivo é pelo menos um dentre: um medidor pontual, unidirecional e tridimensional.  System according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one non-invasive meter (1, 1 1, ..., 1 N, 101) is at least one of: a meter punctual, unidirectional and three-dimensional.
7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que cada pelo menos um medidor (1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 ) não invasivo compreende pelo menos um dentre:  System according to any one of claims 1 to 6, characterized in that each at least one non-invasive meter (1, 11, ..., 1 N, 101) comprises at least one of:
um sensor analógico de identificação dos valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) e  an analog sensor identifying the time derivative values of the electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) and
um sensor compreendendo um meio de cálculo, sendo que o sensor mede escalar ou vetorialmente os valores da grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ), e o meio de cálculo aplica operadores derivativos aos valores medidos pelo sensor, e identifica os valores de derivada temporal da grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53,...5N, 501 ).  a sensor comprising a calculation means, wherein the sensor measures scaling or vectorically the values of the electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501), and the calculation means applies derivative operators to the values measured by the sensor, and identifies the time derivative values of the electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501).
8. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que cada pelo menos um medidor (1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 ) não invasivo é disposto em uma posição (2, 22,..., 2N) compreendida entre uma localização em contato com a carcaça da máquina e uma distância afastada da máquina elétrica (3) de no máximo 30 vezes o diâmetro da máquina elétrica (3). System according to any one of claims 1 to 7, characterized in that each at least one non-invasive meter (1, 1, ..., 1 N, 101) is arranged in a position (2, 22, ..., 2N) between a location in contact with the machine housing and a distance away from the electric machine (3) of up to 30 times the diameter of the electric machine (3).
9. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que cada pelo menos um medidor (1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 ) não invasivo é disposto em uma posição (2, 22,..., 2N) envolvendo o cabo de aterramento da máquina elétrica (3). System according to any one of claims 1 to 8, characterized in that each at least one non-invasive meter (1, 1, ..., 1 N, 101) is arranged in a position (2, 22, ..., 2N) surrounding the grounding cable of the electric machine (3).
10. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a característica de máquina elétrica identificada é pelo menos uma dentre: características de diagnóstico de operação da máquina fora do padrão normal, tempo de vida, características de início de falhas incipientes, estado de falha, ou características de funcionamento da máquina.  A system according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the identified electrical machine characteristic is at least one of: non-standard machine operating diagnostic characteristics, lifetime, incipient fault initiation, fault status, or machine operating characteristics.
1 1. Método para identificar características de uma máquina elétrica (3), caracterizado por compreender as seguintes etapas:  1. Method for identifying characteristics of an electrical machine (3), characterized in that it comprises the following steps:
- identificar (1000) valores de derivada temporal de pelo menos uma grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) gerada pela máquina elétrica (3) em pelo menos uma posição (2, 22,..., 2N, 201 ) externa à máquina elétrica (3);  - identify (1000) time derivative values of at least one electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) generated by the electric machine (3) in at least one position (2, 22, .. ., 2N, 201) external to the electric machine (3);
- comparar (1001 ) os valores identificados da derivada temporal da pelo menos uma grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) com os valores pré-estabelecidos da derivada temporal dessa grandeza eletromagnética gerada pela máquina elétrica (3); e  - compare (1001) the identified values of the time derivative of at least one electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) with the pre-established values of the time derivative of this electromagnetic quantity generated by the electric machine ( 3); and
- determinar (1002) pelo menos uma característica da máquina elétrica (3) com base no resultado da comparação.  - determine (1002) at least one characteristic of the electric machine (3) based on the result of the comparison.
12. Método, de acordo com a reivindicação 1 1 , caracterizado pelo fato de que a grandeza eletromagnética é pelo menos um componente do espectro de frequência de um dentre o campo magnético externo à máquina elétrica (3), o fluxo magnético externo à máquina elétrica, a indução magnética externa à máquina elétrica e a corrente do cabo de aterramento da máquina elétrica.  Method according to claim 11, characterized in that the electromagnetic quantity is at least one component of the frequency spectrum of one of the magnetic field external to the electric machine (3), the magnetic flux external to the electric machine , the external magnetic induction to the electric machine and the grounding current of the electric machine.
13. Método, de acordo com a reivindicação 1 1 ou 12, caracterizado pelo fato de que a etapa de identificar (1000) o valor da deri- vada temporal da grandeza eletromagnética é realizada por pelo menos um medidor (1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 ) não invasivo dentre: The method according to claim 11 or 12, characterized in that the step of identifying (1000) the value of the derivative The time period of the electromagnetic magnitude is performed by at least one non-invasive meter (1, 1 1, ..., 1 N, 101) from:
um sensor analógico de identificação de valores de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) e  an analog sensor for identifying time derivative values of an electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) and
um sensor compreendendo um meio de cálculo, sendo que o sensor mede os valores da grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ), e o meio de cálculo aplica operadores derivativos aos valores medidos pelo sensor, e identifica numericamente os valores de derivada temporal dessa grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53,...5N, 501 ).  a sensor comprising a means of calculation, wherein the sensor measures the values of the electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501), and the means of applying derivative operators to the values measured by the sensor, and numerically identifies the time derivative values of this electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501).
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que cada medidor (1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 ) identifica um componente diferente do espectro de frequência da máquina elétrica.  Method according to claim 13, characterized in that each meter (1, 11, ..., 1 N, 101) identifies a different component of the frequency spectrum of the electric machine.
15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 1 a 14, caracterizado pelo fato de que os valores de derivada temporal da pelo menos uma grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) identificada correspondem à derivada temporal de ordem n da referida grandeza eletromagnética, sendo que n varia de 1 a infinito.  Method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that the time derivative values of the at least one identified electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) correspond to to the time derivative of order n of said electromagnetic quantity, where n ranges from 1 to infinity.
16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um medidor (1 , 1 1 ,..., 1 N, 101 ) não invasivo é um dentre um medidor pontual, uni- direcional ou tridimensional.  Method according to any one of claims 1 to 15, characterized in that the at least one non-invasive meter (1, 11, ..., 1 N, 101) is one of a point meter, uni - directional or three-dimensional.
17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 1 a 16, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma posição (2, 22,..., 2N, 201 ) externa à máquina elétrica (3) onde é realizada a etapa de identificar os valores de derivada temporal de pelo menos uma grandeza eletromagnética está compreendida entre uma localização em contato com a carcaça da máquina e uma distância afastada da máquina elétrica (3) de no máximo 30 vezes o diâmetro da máquina elétrica (3). Method according to any one of claims 11 to 16, characterized in that at least one position (2, 22, ..., 2N, 201) external to the electric machine (3) where the The step of identifying the time derivative values of at least one electromagnetic quantity is between a location in contact with the machine frame and a distance apart. 30 times the diameter of the electric machine (3).
18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 1 a 17, caracterizado pelo fato de que a etapa de identificar A method according to any one of claims 11 to 17, characterized in that the step of identifying
(1000) valores de derivada temporal de pelo menos uma grandeza ele- tromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) é realizada ao redor do cabo de aterramento da máquina elétrica (3) em uma localização entre a superfície do cabo de aterramento e uma distância afastada de no máximo 30 vezes o diâmetro da máquina elétrica (3). (1000) Time derivative values of at least one electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) are performed around the grounding wire of the electrical machine (3) at a location between the grounding cable surface and a distance of a maximum of 30 times the diameter of the electric machine (3).
19. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 1 a 18, caracterizado pelo fato de que a característica de máquina elétrica identificada é pelo menos uma dentre: características de diagnóstico de operação da máquina fora do padrão normal, tempo de vida, características de início de falhas incipientes, estado de falha, ou características de funcionamento da máquina.  A method according to any one of claims 11 to 18, characterized in that the identified electrical machine characteristic is at least one of: non-standard machine operating diagnostic characteristics, lifetime, characteristics incipient failures, fault status, or operating characteristics of the machine.
20. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 1 a 19, caracterizado pelo fato de que a etapa de comparar A method according to any one of claims 11 to 19, characterized in that the step of comparing
(1001 ) valores identificados de derivada temporal de uma grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) gerada pela máquina elétrica (3) com os valores pré-estabelecidos de derivada temporal dessa uma grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) compreende adicionalmente as subetapas de: (1001) Identified values of the time derivative of an electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ... 5N, 501) generated by the electric machine (3) with the pre-established values of the time derivative of this electromagnetic quantity (50). , 51, 52, 53, ... 5N, 501) further comprises the substeps of:
- filtrar (1003) o sinal medido;  - filtering (1003) the measured signal;
- amplificar (1004) o sinal;  - amplifying (1004) the signal;
- passar (1005) o sinal por um filtro anti-aliasing (43); e passing (1005) the signal through an anti-aliasing filter (43); and
- amostrar (1006) o sinal. - sampling (1006) the signal.
21. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 1 a 20, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma etapa de armazenar (1007) os valores identificados de derivada temporal da grandeza eletromagnética (50, 51 , 52, 53, ...5N, 501 ) gerada pela máquina elétrica (3) para serem utilizados como valores de derivada temporal pré-estabelecidos da grandeza eletromag- nética. Method according to any one of claims 11 to 20, characterized in that it further comprises a step of storing (1007) the identified time derivative values of the electromagnetic quantity (50, 51, 52, 53, ..). .5N, 501) generated by the electric machine (3) to be used as pre-established time derivative values of the electromagnetic quantity.
22. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 1 a 21 , caracterizado pelo fato de que os valores pré- estabelecidos de derivada temporal da grandeza eletromagnética correspondem aos valores de medição de operação da máquina elétrica (3) sadia, valores de histórico de operação da máquina elétrica (3) ou valores teóricos esperados.  Method according to any one of claims 11 to 21, characterized in that the predetermined time derivative values of the electromagnetic quantity correspond to the operating measurement values of the sound electric machine (3), historical values. of the electric machine (3) or expected theoretical values.
23. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 1 a 22, caracterizado pelo fato de que as grandezas eletromag- néticas são identificadas em dB.  Method according to any one of claims 11 to 22, characterized in that the electromagnetic quantities are identified in dB.
24. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 1 a 23, caracterizado pelo fato de ser realizado por um sistema, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.  Method according to any one of claims 11 to 23, characterized in that it is carried out by a system as defined in any one of claims 1 to 10.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018141726A1 (en) * 2017-02-01 2018-08-09 Wobben Properties Gmbh Method for determining faults in a generator, and generator test system

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1314073C (en) * 1988-02-12 1993-03-02 James M. Galm Current density measurement system
US20010008993A1 (en) * 1999-02-09 2001-07-19 Bottomfield Roger L. Non-invasive system and method for diagnosing potential malfunctions of semiconductor equipment components
US20030078493A1 (en) * 2001-10-23 2003-04-24 Olympus Optical Co., Ltd. Magnetic fluid detection method and magnetic fluid detection apparatus
GB2432008A (en) * 2005-11-07 2007-05-09 Omnicharge Ltd Current sensor
US20090243647A1 (en) * 2008-03-31 2009-10-01 General Electric Company Non-Invasive monitoring and diagnosis of electric machines by measuring external flux density
CN102129052A (en) * 2010-11-30 2011-07-20 吴鹏 Spatial three-axis magnetic sensor
WO2012140455A2 (en) * 2011-04-11 2012-10-18 University Of Zagreb Generator-fault-tolerant control for a variable-speed variable-pitch wind turbine
US20130013138A1 (en) * 2011-07-06 2013-01-10 Yinghui Lu System and method for predicting mechanical failure of a motor
EP2669688A1 (en) * 2012-05-31 2013-12-04 Bergoz Instrumentation S.A.R.L. Device for measuring electrical current isolated from the current to be measured
BR102013008643A2 (en) * 2013-04-02 2014-11-18 Univ Fed Da Paraiba SMART NON INVASIVE SYSTEM FOR MONITORING AND CONTROL OF ELECTRIC MACHINES

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1314073C (en) * 1988-02-12 1993-03-02 James M. Galm Current density measurement system
US20010008993A1 (en) * 1999-02-09 2001-07-19 Bottomfield Roger L. Non-invasive system and method for diagnosing potential malfunctions of semiconductor equipment components
US20030078493A1 (en) * 2001-10-23 2003-04-24 Olympus Optical Co., Ltd. Magnetic fluid detection method and magnetic fluid detection apparatus
GB2432008A (en) * 2005-11-07 2007-05-09 Omnicharge Ltd Current sensor
US20090243647A1 (en) * 2008-03-31 2009-10-01 General Electric Company Non-Invasive monitoring and diagnosis of electric machines by measuring external flux density
CN102129052A (en) * 2010-11-30 2011-07-20 吴鹏 Spatial three-axis magnetic sensor
WO2012140455A2 (en) * 2011-04-11 2012-10-18 University Of Zagreb Generator-fault-tolerant control for a variable-speed variable-pitch wind turbine
US20130013138A1 (en) * 2011-07-06 2013-01-10 Yinghui Lu System and method for predicting mechanical failure of a motor
EP2669688A1 (en) * 2012-05-31 2013-12-04 Bergoz Instrumentation S.A.R.L. Device for measuring electrical current isolated from the current to be measured
BR102013008643A2 (en) * 2013-04-02 2014-11-18 Univ Fed Da Paraiba SMART NON INVASIVE SYSTEM FOR MONITORING AND CONTROL OF ELECTRIC MACHINES

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Development of equipment for fault detection in synchronous generators through the field external magnetic", VIDEO PUBLISHED BY THE APPLICANT IN ITS WEBSITE, 1 November 2015 (2015-11-01), Retrieved from the Internet <URL:http://www.tractebelenergia.com.br/wps/portal/Internet/pesquisa-e-desenvolvimento/projetos.> [retrieved on 20160721] *
BOOBLET DE P&D: "Development of equipment for fault detection in synchronous generators through the field external magnetic", DEVELOPMENT OF EQUIPMENT FOR FAULT DETECTION IN SYNCHRONOUS GENERATORS THROUGH THE FIELD EXTERNAL MAGNETIC '';, 11 January 2015 (2015-01-11), Retrieved from the Internet <URL:http://www.tractebelenergia.com.> [retrieved on 20160721] *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018141726A1 (en) * 2017-02-01 2018-08-09 Wobben Properties Gmbh Method for determining faults in a generator, and generator test system

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